Как работает 3D-телевидение?

В 1890-х годах, когда французские пионеры кинематографа Огюст и Луи Люмьер
показали свой ранний фильм о прибытии поезда на станцию, легенда гласит, что испуганные зрители отпрыгнули в
сторону, чтобы освободить ему дорогу. Несмотря на всевозможные технологические
инновации за прошедшие десятилетия, фильмы и телевидение никогда больше не
казались столь убедительными. Чуть более века спустя казалось, что доступное
трехмерное телевидение (3D-телевизор) откроет
новую эру сверхреалистичных развлечений, и крупные производители телевизоров, такие как Sony, Panasonic, LG и Toshiba, вскоре начали делать ставку на 3D-технологию.
К сожалению, потребители не были столь же заинтересованы в просмотре 3D-изображений
дома, и, по крайней мере, на данный момент революция, похоже, застопорилась: в 2013 году
The New York Times официально объявила это «дорогим провалом»; к 2017 году
ведущие производители, такие как Sony, LG и Samsung, решили полностью отказаться от этой технологии.
Несмотря на это, 3D-телевидение по-прежнему остается захватывающей технологией, поэтому давайте подробнее рассмотрим, как оно работает!

Фото: Демонстрация 3D-телевизионной системы компанией LG. Как и большинство других 3D-телевизионных систем, эта
требует ношения специальных очков (которые мы обсудим более подробно ниже). Фотография предоставлена ​​LG Electronics и
опубликована на Flickr в 2010 году
по лицензии Creative Commons.

Как и почему мы видим в трех измерениях?

Легко забыть, что ты животное, запрограммированное на выживание как можно дольше
миллионами лет эволюции. Есть или быть съеденным — вот основной закон мира,
в котором большинство из нас больше не живет (или не хочет жить), но это мир,
для которого было создано твое тело. Около 25–50 процентов твоего (относительно) огромного мозга
посвящены обработке информации, всасываемой твоими глазами, и
перестраиванию ее в красочный трехмерный «кинотеатр», который
окутывает твою голову. Но твоя зрительная система — это
гораздо больше, чем просто модный дизайнер интерьеров: ее главная цель — помочь тебе
выжить. Видение вещей в трех измерениях, богатых и глубоких, — это кратчайший путь к пониманию того, как устроен мир
: насколько близко этот «аллигатор» и можешь ли ты от него сбежать или, выражаясь современным
языком, как далеко тебе нужно протянуть руку, чтобы поднести чизбургер
к губам!

Фото: У вас два глаза, расположенные на небольшом расстоянии друг от друга, поэтому вы можете точно оценивать расстояние и избегать хищников, таких как этот аллигатор; у него два глаза, чтобы помочь ему поймать вас! Относительно близкое расположение глаз играет важную роль в
создании трехмерного изображения мира. Если глаза находятся слишком далеко друг от друга, изображения, которые они создают, не перекрываются в значительной степени,
и мозг животного не может эффективно объединить их в одну трехмерную картинку. Фото предоставлено
Службой охраны рыбных ресурсов и диких животных США.

Наш мозг генерирует 3D-изображение в основном с помощью двух глаз, расположенных на
небольшом расстоянии друг от друга. Каждый глаз захватывает немного разный вид мира
перед собой, и, объединяя эти два изображения,
наш мозг генерирует единое изображение, которое имеет реальную глубину. Этот трюк называется
стереопсисом (или стереоскопическим зрением)
, и это зрительный эквивалент использования двух громкоговорителей
(или пары наушников) для прослушивания трехмерного стереозвука.

Мы воспринимаем видение в трех измерениях как должное, в основном потому, что
практически невозможно увидеть мир каким-либо другим способом — даже если у вас всего один глаз.
Бинокулярное зрение (видение двумя глазами) — это лишь часть того, как мы воспринимаем глубину. Закрыв один глаз, вы обнаружите, что все еще можете получить довольно хорошее представление о том, как устроен мир, благодаря многим
другим «сигналам глубины»: линии отступают вдаль в
том, что мы называем перспективой;
более близкие объекты, как правило, больше далеких и движутся быстрее,
когда вы поворачиваете голову (эффект, называемый
параллаксом движения);
более близкие предметы имеют иную текстуру поверхности
, чем более далекие; и так далее. Вот почему даже плоские, двумерные изображения
(фотографии и движущиеся изображения на экранах кинотеатров и телевизорах) дают разумное
приближение к глубине.

Анимация: «Подсказки глубины» обманывают наш мозг, заставляя его видеть 3D-изображения. Глядя из окна мчащегося автомобиля или поезда, кажется, что далекие объекты движутся медленнее, чем близкие, в то время как горизонт почти не движется. Этот странный эффект называется параллаксом движения. Текстуры (то, как узоры на близлежащих объектах расположены более широко) создают градиенты цвета и яркости, которые усиливают эффект. А постоянство размера (близлежащие деревья выглядят больше) — еще один полезный сигнал. Наш впечатляющий мозг мгновенно собирает доказательства 3D-мира в реальном времени.

Но если вы действительно хотите увидеть убедительное изображение мира, ничто не сравнится с подачей
немного отличающейся 2D-картинки перед каждым из ваших глаз, чтобы встряхнуть
ваш мозг и заставить его увидеть их как единое 3D-изображение. И это именно
тот трюк, для которого предназначены новейшие 3D-телевизоры!

Как работает 3D-телевизор?

Существует несколько различных способов создания 3D-телевизора, но все они используют один и тот же базовый
принцип: они должны создать два отдельных движущихся изображения и отправить
одно из них в левый глаз зрителя, а другое — в правый. Чтобы создать
правильную иллюзию 3D, изображение левого глаза не должно быть видно правым
глазом, в то время как изображение правого глаза не должно быть видно левым.

В очках

Фото: Марсоход NASA Pathfinder сделал грубые 3D-снимки планеты с помощью двух отдельных объективов.
Фото предоставлено Лабораторией реактивного движения NASA (NASA-JPL).

Самый простой способ добиться этого — вывести на
экран телевизора два разных изображения (одно для левого глаза, другое для правого) и заставить зрителей надеть специальные очки, чтобы каждый глаз видел только
одно из них.

Технология 3D, которую большинство людей видели, подразумевает ношение очков
с цветными линзами, одной красной и одной голубой, также известных как анаглифные очки.
Почему именно эти два цвета? Красная линза — это светофильтр, который пропускает
только красный свет, в то время как
голубая линза (голубой — это смесь синего и зеленого в равных долях) пропускает любой цвет света,
кроме красного.
Суть в том, что каждому глазу не позволяют видеть части изображения, которые видит другой глаз,
поэтому каждый глаз получает немного отличающуюся от своей собственную картинку.
Несмотря на простоту и дешевизну, эта техника дает относительно низкокачественное, монохромное изображение
и часто вызывает у зрителей тошноту.

Фото: Чтобы увидеть такие изображения в трехмерном виде, вам понадобятся анаглифные (цветные) очки.

Гораздо более перспективная система использует поляризационные линзы в очках вместо этого и две картинки
, которые проецируются с экрана с использованием по-разному поляризованного света. Обычно
свет состоит из волн, которые вибрируют в нескольких направлениях одновременно,
поскольку они выстреливают по прямым линиям через воздух, в то время как поляризованный (или
«плоскостно поляризованный») свет фильтруется так, чтобы его волны вибрировали
только в одном направлении. Если вы наденете очки с двумя разными поляризационными
фильтрами, так что левая линза получает только свет, вибрирующий вверх и вниз,
а правая линза получает свет, вибрирующий из стороны в сторону, вы можете
легко направить разное изображение с телевизора на каждую линзу. Главный
недостаток заключается в том, что телевизор должен быть также оснащен поляризационными фильтрами, что значительно увеличивает стоимость
.

Третий вариант более изобретателен и предполагает, что люди носят
очки с активным затвором. Работающие от батареек, они имеют
электронную систему затвора, которая открывает
и закрывает левую и правую линзы попеременно с очень высокой скоростью. В определенный момент
левая линза «открыта» и просматривает изображение для левого глаза на экране телевизора, в то время как правая линза заблокирована.
Через долю секунды очки меняются местами: правая линза открывается, левая линза блокируется,
и телевизионное изображение меняется, так что ваш правый глаз получает немного другое изображение (или «кадр») для вашего левого глаза, прежде чем весь процесс снова меняется на противоположный. И продолжает меняться десятки раз в секунду. Эта технология также называется чередованием кадров.

Фото: Пара очков LG с активным затвором. Если присмотреться, то можно увидеть, что этот мужчина носит свои очки перед парой обычных очков. Фотография предоставлена ​​LG Electronics,
опубликована на Flickr в 2010 году
по лицензии Creative Commons.

Хотя «затворы» работают как
маленькие жалюзи, которые открываются и закрываются перед вашими глазами, на самом деле они
оптические, а не механические: каждая линза очков оснащена
жидкокристаллическим дисплеем, который мгновенно становится прозрачным (чистым) или
непрозрачным (темным) при получении электронного сигнала. Очки связаны
с телевизором с помощью инфракрасного, радиоволнового или Bluetooth-порта, поэтому они точно синхронизируются с быстро меняющимися картинками на экране.
Такие очки с активным затвором стоят дороже пассивных (с цветными или
поляризационными линзами), но дают лучшее 3D-изображение и их можно
носить гораздо дольше, не утомляя глаза людей и не вызывая у них
тошноты. Но система затвора приводит к значительной потере
яркости, и мерцание может быть заметным при определенных условиях.

Фото: В очках с активным затвором две линзы попеременно включаются и выключаются жидкими кристаллами, которые меняют ориентацию под электронным управлением, либо блокируя свет (слева), либо пропуская его (справа). Фото из исследования жидких кристаллов Дэвида Вайца предоставлено Центром космических полетов имени Маршалла НАСА (NASA-MSFC).

Без очков

Все три типа очков могут быть помехой, особенно если вы
уже носите очки, и поэтому некоторые люди думают, что производителям телевизоров
придется быть более изобретательными и разрабатывать 3D-технологии, которые
в них не нуждаются. Одним из вариантов может быть использование чего-то вроде голографии, но это,
вероятно, будет означать перепроектирование телекамер таким образом, чтобы они использовали сложные лазерные
механизмы, которые могут захватывать глубину, а также узоры света и
цвета, и кто знает, сколько десятилетий это может занять?

Другая возможность — использовать лентикулярные телевизионные экраны, которые работают как те ребристые
пластиковые
лентикулярные печатные обложки книг и журналов, которые вы видите, которые показывают немного разные изображения,
когда вы наклоняете их вперед и назад. Лентикулярные экраны — это просто ряды очень тонких параллельных
пластиковых линз, которые изгибают изображения либо влево, либо вправо.
Поместите их перед экраном телевизора, и вы сможете относительно легко
отправить две немного разные картинки на левый и правый глаз человека
, чтобы он увидел одно слитое изображение в трех измерениях. Хотя
некоторые производители телевизоров успешно разработали лентикулярное 3D-телевизор,
у него есть большой недостаток: вы должны сидеть в точном
месте, на точном расстоянии от экрана, чтобы ваши
два глаза получали нужные изображения именно так, как нужно. Если отойти
слишком далеко в сторону, иллюзия разрушится, и вы, вероятно, увидите просто
беспорядочное размытие. Хотя это не звучит так практично для семейного просмотра, лентикулярное 3D может работать очень хорошо с
ноутбуками (обычно просматриваемыми одним человеком в очень точном положении и на очень точном расстоянии) и портативными
DVD-плеерами.

Фото: Обложка моей книги Cool Stuff Exploded имеет пластиковое лентикулярное покрытие, поэтому картинка меняется, когда вы наклоняете ее из стороны в сторону. Поместите лентикулярное покрытие перед экраном телевизора, показывающим два отдельных 3D-изображения рядом, и вы сможете
отправлять отдельные изображения в глаза человека, не надевающего очки.

Почему 3D-телевидение не прижилось?

Производители телевизоров хотели бы, чтобы мы думали, что мы можем мгновенно получить 3D-версии всех наших любимых фильмов и
шоу, просто раскошелившись на более сложную коробку с электроникой, но, конечно, все не так просто.
Начнем с того, что в мире уже около ста лет существуют 2D-фильмы и телепрограммы; любое
новое 3D-оборудование, которое будет разработано в обозримом будущем, должно будет
уметь воспроизводить все это. А если серьезно, представьте себе дополнительные расходы
на производство 3D-программ и (что еще хуже) внешних трансляций. Вы хотите смотреть Суперкубок в 3D? Отлично!
Но это означает, что вам понадобится как минимум две камеры (и, возможно, два обученных оператора) на поле для
каждой, которая там есть сегодня. Так что, по крайней мере, потенциально, 3D-телепрограммы могут быть намного дороже
в производстве.

Если производители и создатели программ будут иметь стимулы для производства 3D-телевизоров и программ для показа на
них, потребители также должны поддержать эту технологию, а пока этого не происходит.
Многим людям просто не нравится опыт 3D или они не могут смотреть его долго.
И просто нет достаточно убедительного 3D-контента (телевизионных программ и фильмов), чтобы убедить людей, что
инвестиции того стоят. Это оставляет технологию 3D-телевидения в некоем подвешенном состоянии:
не стоит разрабатывать программы, если люди не будут покупать телевизоры; и не стоит покупать телевизор,
если на нем нет программ для просмотра. По крайней мере, на данный момент маловероятно, что
3D-телевидение выйдет за рамки недолговечной новинки, но это был интересный эксперимент, пока он продолжался.

Фото: 3D-стерео может показаться новым, но оно существует уже очень давно. Более века назад люди развлекались стереографией: двумя изображениями одной и той же сцены, сфотографированными с немного отличающихся углов, которые вы рассматривали с помощью специального устройства просмотра, чтобы увидеть слитое 3D-изображение. На этом изображен президент США Уильям Тафт и его жена, едущие в Белый дом в 1909 году.
Фото предоставлено Библиотекой Конгресса США.

Интересно отметить, что мы уже проводили такой эксперимент раньше. Люди пытались придумать новые способы захвата захватывающих 3D-изображений с тех пор, как стереографы (подобные изображенным выше) были впервые предложены в середине 19 века Чарльзом Уитстоуном (а позже и Дэвидом Брюстером). Более четырех десятилетий назад, в 1982 году, Чарльз Смит предположил в New Scientist, что 3D-телевидение «вполне соответствует возможностям сегодняшних технологий», обобщив по сути те же самые базовые технологии, которые я рассмотрел выше. Он считал
отсутствие инвестиций и приверженности отрасли одним из ключевых камней преткновения, а разногласия
по поводу конкурирующих стандартов и технологий — другим,
и пришел к выводу: «Будущие поколения будут поражены тем, что… мы были счастливы принять эти маленькие плоские изображения как представление реального трехмерного мира». [New Scientist, 21 января 1982 г., стр. 144]
3D-телевидение пришло в упадок в 1980-х годах… и снова приходит в упадок.

Это не значит, что изобретатели полностью отказались от 3D. Если бы кто-то мог придумать простой, надежный
дисплей, который мог бы транслировать 3D-изображения нам в глаза без необходимости использования неуклюжих очков, он мог бы достичь
критической массы потребителей, которая оправдала бы более дорогостоящее производство 3D-программ.
Голография, нанотехнологии и графен — три технологии отображения, которые уже рекламируются как возможные решения этой проблемы. Станут ли 3D-телевизоры когда-нибудь обычным явлением? Следите за этим пространством!

Не хотите читать наши статьи? Попробуйте вместо этого послушать

Если вы предпочитаете слушать наши статьи, а не читать их, подпишитесь на наш новый подкаст
на Apple Podcasts,
Spotify,
Amazon,
Podchaser
или в вашем любимом приложении для подкастов или слушайте ниже:

Узнать больше

На этом сайте

• Телевидение (телевизоры с электронно-лучевой трубкой)
• ЖК-телевизоры
• HDTV (телевидение высокой четкости)
• Голограммы
• Проекционные телевизоры

Книги

• Технология, системы и внедрение 3D-телевидения (3D TV) Дэниела Миноли. Тейлор и Фрэнсис, 2010/2017. Рассматривает весь процесс 3D-телевидения, от захвата изображения и трансляции до конечного отображения, а также включает некоторую информацию о новых тенденциях, таких как голографическое телевидение.
• Трехмерное телевидение: захват, передача, отображение, авторы: Халдун М. Озактас и Левент Онурал (редакторы). Springer, 2007. В основном предназначено для людей, занимающихся разработкой технологии 3D-телевидения и связанных с ней приложений (например, медицинской визуализации).

Статьи

• Графен может обеспечить возможность создания голографических 3D-изображений на мобильном устройстве, Декстер Джонсон, IEEE Spectrum, 27 апреля 2015 г. Может ли графен стать спасательным кругом для умирающей 3D-технологии?
• Нанотехнологии помогают 3D-телевидению вернуться без очков, Декстер Джонсон, IEEE Spectrum, 14 февраля 2014 г. Если 3D-телевидение может избавить от необходимости носить очки, может быть, оно наконец-то станет популярным?
• Неуклюжий труп 3D-телевизора наконец-то падает замертво Дэвид Кацмайер, Cnet News, 17 января 2017 г. Sony и LG объявляют, что отказываются от 3D-телевизоров в 2017 г.
• 3D-телевидение официально мертво (на данный момент), и вот почему оно потерпело неудачу Стивен Касс, IEEE Spectrum, 7 января 2014 г. Производители тихо отказались от 3D-телевизоров или отодвинули их на второй план — и в этой статье объясняется, почему.
• Будущее 3D-телевидения туманно, поскольку ESPN закрывает канал Брайан Стелтер. The New York Times, 16 июня 2013 г. После того, как ESPN закрыл 3D, все стало выглядеть очень мрачно.
• Спорт: 3D TV’s Toughest Challenge, Говард Постли. IEEE Spectrum, ноябрь 2012 г. Почему спорт представляет собой особую техническую проблему для производителей 3D TV-программ?
• Почему 3D-телевидение перестало быть фаворитом на CES и стало отвергнутым потребителями Кристиной Боннингтон. Wired, 5 января 2012 г. Согласно этому анализу, высокие цены, отсутствие программ и плохие впечатления от просмотра — вот причины, по которым потребители не переходят на 3D.
• Может ли быть опасным просмотр 3D-телевидения? Алекс Хадсон, BBC Click, 28 января 2011 г.
• Мэгги Шилс, BBC News, 8 января 2011 г., называет 3D-телевидение возможным спасителем отрасли. Новый тип телевизора — это новая маркетинговая возможность для производителей.
• Подробности секретов телевидения Чарльза Смита, New Scientist, 21 января 1982 г. История повторяется, что наглядно демонстрирует эта старая статья о технологиях 3D-телевидения!

Патенты

Чтение патентов даст вам гораздо более глубокое техническое понимание того, как все работает. Существует множество патентов, охватывающих различные технологии 3D-телевидения; вот четыре примера, иллюстрирующие четыре основных метода разделения изображения, описанных выше:

• Патент США 3,932,699: Трехмерное телевидение, Морис Р. Трипп, 13 января 1976 г. Описывает лентикулярную камеру и систему отображения.
• Патент США 20140218410: Система и метод эффективного создания анаглифических изображений, зависящих от устройства, Сируи Ху и др., Sony, 7 августа 2014 г. Современная система 3D-изображений анаглифического типа.
• Патент США 2,865,988: Квазистереоскопические системы Николаса Дж. Кафарелли-младшего, ITT, 23 декабря 1958 г. Ранняя 3D-система, которая могла использовать как цветные, так и поляризованные линзы.
• Патент США 4,967,268: Система жидкокристаллического затвора для стереоскопических и других приложений, Ленни Липтон и Марвин Акерман, StereoGraphics, 30 октября 1990 г. В этом патенте описываются жидкокристаллические очки с активным затвором.