Jak to działa? (3) – technologie 3D
Koszt telewizorów z taką technologią ciągle spada i nie jest już jedynie luksusem dla bogaczy. Także sprzęt audio-wideo coraz lepiej przystosowany jest do transmisji w trzech wymiarach. Technologia 3D podbija rynek i nie ma się czemu dziwić. Kto chociaż raz zobaczył dobrej jakości 3D (niestety to wciąż nie jest standardem, 3D w zwykłych kinach pozostawia bardzo dużo do życzenia i często jest to tak zwane „fałszywe 3D”), temu ciężko jest wrócić do standardowego, płaskiego obrazu 2D. Wyglądające jak żywe obiekty „wychodzące” z telewizora, scenerie o niezwykłej głębi – to wszystko działa niezwykle na wyobraźnię, jak jednak taka technologia działa?
Wbrew pozorom historia 3D jest znacznie starsza niż Avatar czy kina IMAX, a nawet dużo starsza niż sama kinematografia. Wszystko zaczęło się już w starożytnej Grecji, gdzie 300 lat p.n.e. Euklides opisał podstawowe prawa optyki. Te wykorzystał XIX-wieczny, angielski wynalazca – Sir Charles Wheatstone – do skonstruowania i opisania stereoskopu. Było to urządzenie umożliwiające oglądanie specjalnych fotografii w trójwymiarze. W działaniu stereoskop nie różnił się wiele od obecnych technologii 3D i opierał się na podstawowej wiedzy dotyczącej optyki i działania ludzkiego systemu wzrokowego.
Najistotniejsze przy tworzeniu iluzji 3D jest właśnie zrozumienie zasady działania ludzkiego wzroku. Jak łatwo zauważyć, każde oko widzi trochę inny obraz (można to zaobserwować przez umieszczenie jakiegoś obiektu niedaleko twarzy i zamykanie na przemian lewego i prawego oka). Wynika to z tego, że nasze oczy leżą w pewnej odległości od siebie i widzą świat pod minimalnie różnymi kątami. Każde oko przesyła więc osobny obraz do mózgu, w którym oba obrazy są przetwarzane, niczym w procesorze graficznym, a później składane w jeden, spójny, trójwymiarowy obraz. Dokładnie tę zasadę wykorzystywał najpierw stereoskop, a później wczesna, a także współczesna technologia 3D.
W stereoskopie umieszczało się dwa, zrobione pod minimalnie różnym kątem zdjęcia, a specjalne soczewki kierowały obraz każdego zdjęcia do innego oka. Dzięki temu prostemu zabiegowi nasz mózg odbierał dwa różne obrazy i składał je w trójwymiarową iluzję, która zachwycała ówczesnych anglików, z królową Wiktorią na czele.
Gdy na początku XX wieku popularność zaczął zyskiwać nowy wynalazek – kino, szybko zastosowano tę technikę i w tym miejscu. Tak jest, pierwszy film 3D miał premierę 27 września 1922 roku i nosił nazwę „The Power of Love”. Film wykorzystywał technikę anaglifową, wynalezioną w 1890 roku przez francuskiego pioniera, Ducosa du Hauron. Pozwalał on też na obejrzenie dwóch zakończeń fabuły (tragicznego bądź szczęśliwego) w 2D, zależnie od tego które oko zamknęliśmy. Film nie zrobił jednak piorunującego wrażenia, a technologia 3D w filmach została porzucona na następne 30 lat. Dopiero w latach 50-tych 3D przeżyło intensywny, aczkolwiek raczej krótki renesans. Wszystko za sprawą boomu na B-klasowe filmy w trójwymiarze. Używano nadal technologii anaglifowej z dwoma projektorami, która sprawiała sporo kłopotów technicznych, a także była droga w eksploatacji. Z tego powodu po kilku latach o 3D znów zapomniano. Wszystko zmieniło się w latach 80 za sprawą nowego formatu kinowego o nazwie IMAX.
IMAX początkowo skupiał się na poprawieniu wrażeń kinowych odbiorców poprzez zwiększenie szerokości taśmy kinowej, wielkości ekranu, a także zastosowaniu systemu kilku projektorów. Szybko dostrzeżono jednak potencjał w trochę zapomnianej już technologii 3D, i tak w 1986 roku, z okazji wystawy Expo, wybudowano w Vancouver pierwsze kino IMAX 3D. Wykorzystano tam po raz pierwszy komercyjnie technologię polaryzacyjną przy odtwarzaniu materiału 3D. Polaryzacja byłą znaczącym krokiem naprzód wobec techniki anaglifowej i pozwalała na znaczne poprawienie jakości materiału, jak i też większą głębie wymiarów wyświetlanego filmu. 3D przeżywało kolejny renesans. Mimo wszystko przez kolejne prawie 20 lat pozostało produktem niszowym. Kręcono w tej technologii głównie dokumentalne filmy edukacyjne, takie jak np. „Podwodny Świat”, filmy o dinozaurach czy rekinach, które prócz wartości edukacyjnej były również pokazówką technologii (bo przecież nie ma to jak dinozaur czy rekin wyskakujący nagle z ekranu). Pomimo, że czasem do kin 3D przenikały postacie z mainstreamu kina, jak np. Mali Agenci czy Muppety 3D, to jednak nic nie zapowiadało aby technologia ta miała wejść do głównego nurtu kinematografii. Punktem zwrotnym był, wydany w 2004 roku film animowany „Ekspres Polarny”. Był to pierwszy film kręcony z myślą o 3D, który wszedł zarówno do tradycyjnych kin jak i do IMAX-ów. Wtedy dostrzeżono, że w technologii leży duży potencjał. Potem przyszedł Avatar i świat zwariował.
Po tym przydługim wstępie i rysie historycznym warto w końcu odpowiedzieć sobie na podstawowe pytanie tego artykułu – jak to działa? Podstawy już znamy, wszystko sprowadza się do sposobu działania ludzkiego systemu wzrokowego. Jak wiemy sztuczka polega na wyświetleniu minimalnie różnego obrazu dla lewego i prawego oka, które to obrazy mózg składa sobie w obraz trójwymiarowy. W tym aspekcie nic nie zmieniło się od czasu wynalezienia stereoskopu w XIX wieku. Jak więc ten efekt jest dziś uzyskiwany w kinach, a także w domach? Wyróżniamy trzy podstawowe technologie 3D, podział sprowadza się do konstrukcji okularów służących do odbioru obrazu (bądź ich braku).
#break#
Pasywne 3D
Póki co każda technologia wspomniana w naszym rysie historycznym należała do kategorii pasywnego 3D. Jest to zarówno najstarsza, najbardziej intuicyjna, jak i najpopularniejsza obecnie metoda odbioru materiałów 3D. Podstawy leżące za tą technologią nie zmieniły się od czasu pierwszego stereoskopu: na ekranie wyświetlany jest specjalnie spreparowany obraz zawierający elementy przeznaczone zarówno dla prawego jak i lewego oka. W okularach z kolei zainstalowane są pasywne filtry, które przepuszczają jedynie pożądane części obrazu, inne dla prawego, a inne dla lewego oka. Dzięki temu uzyskuje się w prosty sposób iluzję 3D. Główną zaletą technologii pasywnego 3D jest niski koszt produkcji okularów (chociaż nie jest to regułą w każdej tego typu technologii, gdyż bardziej zaawansowane filtry też potrafią zwiększyć koszt tychże), główną wadą znaczące obniżenie jakości obrazu. Czemu przy pasywnym 3D obniża się jakość obrazu? Jak już wiemy przy tej technologii, filtry w naszych okularach przepuszczają tylko tę część obrazu, która jest przeznaczona dla danego oka. Powoduje to, ze każde oko widzi de facto jedynie połowę wyświetlanego obrazu i z tego nasz mózg składa obraz 3D. Powoduje to, że rozdzielczość odbieranego obrazu zmniejsza się. Dokładniej wyjaśnimy to przy opisie technologii polaryzacyjnej. Skoro już więc mowa o technikach stosowanych w pasywnym 3D to warto wspomnieć, ze na przestrzeni lat powstało ich całkiem dużo, zależnie od użytych w okularach filtrów. Popularność uzyskały jednak w zasadzie tylko trzy z nich:
Metoda anaglifowa
Stara i już praktycznie nieużywana technika wyświetlania obrazu 3D, warto jednak poświęcić jej akapit ze względu na wartość historyczną. Jak już zostało wspomniane popularność zyskała szczególnie w latach 50-tych ubiegłego wieku. Cześć z was pewnie pamięta dołączane do różnych czasopism w latach 90-tych plastikowe bądź papierowe okulary z jednym szkiełkiem czerwonym, a drugim niebieskim (bądź czasami zielonym). Później za pomocą tych okularów można było oglądać fotografie w czasopiśmie lub specjalne filmy w telewizji, które dawały delikatny efekt 3D. To dokładnie była technologia anaglifowa. Polegała ona na bardzo prostym założeniu. Elementy obrazu, które przeznaczone były dla lewego oka były zabarwione na turkusowo, te dla prawego były czerwone. Po założeniu okularów dostrzegaliśmy tylko obraz w danym kolorze, co dawało efekt iluzji 3D. Główną zaletą tej technologii były jej koszta, a także możliwość odbioru jej na każdym kolorowym telewizorze. Niestety na tym zalety się kończyły. Każdy kto miał okazję oglądać anaglifowe 3D wie, że efekty trójwymiaru były bardzo płaskie i ledwo dostrzegalne. Dodatkowo obraz miał olbrzymie problemy z prawidłowym wyświetlaniem kolorów, a także jakością. Z tego też powodu metoda ta nigdy nie zrobiła furory w kinematografii, ma jednak olbrzymią wartość historyczną gdy mowa o obrazie 3D.
Metoda polaryzacyjna
Technologia, która odmieniła kino 3D, a jednocześnie pozostająca wciąż najpopularniejszą (chociaż coraz bardziej wypieraną) metodą odtwarzania materiałów 3D, zarówno w kinie jak i na telewizorach domowych. U jej podstaw leży wykorzystanie efektu polaryzacji światła. Jeśli nie rozumiecie słowa polaryzacja – nie martwcie się, nie chcę wchodzić w fizyczne szczegóły z kilku powodów. Raz, że na pewno zabiliby mnie fizycy czytający ten artykuł, dwa, że pewnie zanudziłbym większość, a kto chce może o tym doczytać w internecie lub podręcznikach do fizyki. To co należy zrozumieć dla potrzeb tego artykułu to to, że dzięki odpowiednim filtrom nałożonym na projektor kinowy, obraz przeznaczony dla lewego oka różni się pewną fizyczną właściwością od obrazu przeznaczonego dla prawego oka, mimo że nie ma między nimi widocznej różnicy. Oczywiście okulary posiadają analogiczne filtry, dzięki czemu każde oko odbiera właściwy obraz. W ten sposób ominięto większość problemów związanych z metodą anaglifową. Obraz posiada odpowiednią głębię, a także nie ma problemu z wyświetlaniem kolorów. Metoda ta może być wykorzystana zarówno w kinach jak i w telewizorach, jednak wymaga ona zastosowania specjalnych ekranów kinowych, które nie zmieniają polaryzacji odbitego światła, a w przypadku telewizorów wymagają filtra polaryzacyjnego przed matrycą. Zwiększa to w znaczący sposób koszt instalacji kinowej czy produkcji telewizora. Metoda polaryzacyjna powoduje również obniżenie rozdzielczości odbieranego obrazu. W jaki sposób? Ponieważ do uzyskania efektu 3D potrzebujemy osobnego obrazu dla lewego jak i prawego oka i oba obrazy musimy zmieścić na ekranie o określonej rozdzielczości. Załóżmy, że oglądamy film 3D na ekranie o rozdzielczości 1080p, czyli 1080 liniach poziomych. Z tych 1080 linii połowa wyświetla obraz dla prawego oka, a druga połowa dla lewego. Jak łatwo zauważyć zarówno obraz dla lewego oka jak i dla prawego posiada jedynie 540 linii poziomych. Dlatego odbierany przez nasz mózg obraz 3D również ma efektywną rozdzielczość jedynie 540 linii. Ta właściwość jest uważana za największą wadę pasywnego 3D w ogólności, ominięta jest ona dopiero w systemie aktywnego 3D, o którym za chwilę.
Dolby 3D
Dolby 3D to metoda wyświetlania obrazu 3D opracowana przez laboratorium Dolby, znanego przede wszystkim z patentów dotyczących dźwięku przestrzennego. W przeciwieństwie do metody polaryzacyjnej, która stosuje całkiem inne podejście do pasywnego 3D, Dolby rozwinęło metodę anaglifową. Jej główna wadą było zastosowanie bardzo prostych filtrów złożonych z dwóch barw, co powodowało spłaszczanie głębi, a także niepoprawne odwzorowanie kolorów. Dolby postanowiło podążyć tą samą drogą i również stosować filtry kolorowe. Zamiast dwóch barw stosuje się tu jednak specjalne filtry kołowe, które dzielą pasmo widzialne na części (jest to technologia firmy Infitec i nazywa się to „wavelength multiplex visualization”), dzięki czemu obraz dla lewego oka różni się minimalnie długością fali (czyli ma niezauważalnie inne kolory), od obrazu dla prawego oka. Specjalne okulary z 50-warstwowym filtrem są w stanie wychwycić tę niezauważalną różnicę w kolorach i odbierać odpowiedni obraz. Metoda ta omija kilka wad techniki polaryzacyjnej, przede wszystkim pozwala na stosowanie normalnych, tańszych ekranów kinowych, jednak znacznie droższe są za to okulary. Wyeliminowanie filtrów polaryzacyjnych powoduje również, ze obraz jest żywszy i ostrzejszy, a barwy intensywniejsze. Technologia Dolby 3D nie eliminuje jednak podstawowej wady pasywnego 3D czyli dwukrotnego obniżania rozdzielczości obrazu.
#break#
Aktywne 3D
Jak już kilka razy wspomnieliśmy, wszystkie technologie pasywnego 3D dzielą tę samą wadę – obniżenie rozdzielczości wyświetlanego obrazu. Spowodowane jest to tym, że niezależnie od zastosowanej metody filtrowania – na jednej klatce trzeba upchnąć dwa obrazy – jeden dla lewego, drugi dla prawego oka. Próby rozwiązania tego problemu w końcu doprowadziły amerykańską firmę NuVision do logicznego wniosku. Czemu dzielić obraz na dwie części, jeśli możemy zamiast tego wyświetlać na zmianę obraz dla jednego oka i dla drugiego. Zamiast powierzchni dzielimy więc czas. W ten sposób powstał system aktywnego 3D nazwany XpanD. Zasada działania jest bardzo prosta. Na ekranie na zmianę wyświetlany jest obraz dla lewego i prawego oka. Na głowę zakładamy specjalne okulary, które zamiast zwykłych szkieł z filtrami, znanych z systemów pasywnego 3D, posiadają aktywne ekrany LCD. Te zsynchronizowane są z częstotliwością odświeżania telewizora i w zaciemniają prawy ekran gdy wyświetlany jest obraz dla lewego oka i odwrotnie. W ten sposób do naszego mózgu również dociera inny obraz z lewego i prawego oka, przez co uzyskać możemy iluzję 3D. Jednak posiada on pełną rozdzielczość ekranu zamiast połowy, o połowę spada za to częstotliwość odświeżania telewizora, co też wpływa negatywnie na odbiór obrazu. Odświeżanie poniżej 60 Hz powoduje już efekt męczący dla oczu, dlatego początkowo aktywne 3D stosowało się jedynie w telewizorach o odświeżaniu przynajmniej 120 Hz (wtedy w trybie 3D wynosiło ono 60 Hz), obecnie standardem jest odświeżanie 200 Hz, które w trybie 3D daje już nam komfortowe 100 Hz znane z telewizorów 2D. Jak widać system aktywnego 3D obchodzi główne wady systemów pasywnych jakimi są spadek rozdzielczości i jakości, spowodowane zastosowaniem filtrów. Jaka jest zatem wada aktywnego 3D? W zasadzie istnieje jedna, ale za to dość poważna. Wadą jest cena okularów. Okulary z aktywną migawką to zaawansowane elektroniczne urządzenia, przez co są znacznie droższe od tych użytkowanych w pasywnych systemach. Ceny jednej pary to od 200 do nawet 1000 złotych, gdzie okulary polaryzacyjne kosztują maksymalnie kilkadziesiąt złotych. Dodatkowo aktywne okulary trzeba zasilać bateriami co zwiększa ich wagę, a także dokłada nam nieprzyjemny obowiązek dbania, aby przed seansem sprawdzić czy okulary nie wyłączą nam się w połowie seansu.
3D bez okularów
Zarówno pasywne jak i aktywne technologie 3D posiadają jeszcze jedną wspólną i niewymienioną wcześniej wadę. Jest nią stosowanie okularów. Już dwugodzinny seans kinowy 3D potrafi być męczący dla niektórych ludzi. Oglądanie telewizji 3D na co dzień w domu jest więc bardzo niewygodne, a także wręcz niezdrowe dla naszych oczu na dłuższą metę (kto próbował kiedyś kilkugodzinnego maratonu filmów 3D ten wie o czym mówię). Dlatego producenci elektroniki kinowej od dawna głowią się nad tym jak wyeliminować okulary. Głównym promotorem technologii 3D bez okularów jest firma Toshiba, która już od kilku lat uparcie stawia na tę technologię i sprzedaje nawet kilka modeli telewizorów pozwalających na oglądanie tego typu materiałów trójwymiarowych. Na czym polega wyświetlanie 3D bez okularów? No cóż, nadal potrzebujemy przekazać inny obraz dla lewego i prawego oka. Toshiba podeszła do tego w dość intuicyjny sposób. Ekran matrycy pokryty jest warstwą soczewek rozpraszających obraz w taki sposób, że do każdego oka dociera odpowiednie ujęcie. Rozwiązanie posiada jednak olbrzymią wadę, widokiem 3D możemy cieszyć się jedynie w jednym, konkretnym punkcie naprzeciw telewizora. Przesunięcie się chociażby minimalnie w prawo czy w lewo powodowało utratę efektu trójwymiaru. Jest to oczywiście niedopuszczalne, dlatego najwięcej wysiłku poświęca się rozwiązaniu tego problemu. Toshiba próbowała uzupełnić tę technologię systemem kamer, który śledził położenie użytkownika przed telewizorem, jednak nie dawał on zadowalających efektów, a poza tym dalej nie rozwiązywał problemu istnienia więcej niż jednego widza. W końcu firma opracowała skomplikowaną technologię produkcji matrycy, dzięki której każdy piksel obrazu składa się z dziewięciu elementów, które odpowiadają za wyświetlanie tego samego fragmentu obrazu w 9 różnych kierunkach. Jak łatwo się domyślić obniża to w znaczący sposób rozdzielczość otrzymanego obrazu 3D (tak jak obraz w pasywnym 3D dzielony był na 2 części, tak tu dzielony jest na aż 9). Technologia ta zastosowana została w wydanym na japoński rynek, 20-calowym telewizorze Toshiba 20GL1. Posiada on nowoczesną matrycę o rozdzielczości 4K (3840 x 2160 pikseli), jednak efektywna rozdzielczość wyświetlanego obrazu 3D wynosi jedyne 1280×720 pikseli, czyli standardowe HD Ready. Dodatkowo sam telewizor oferuje dość niską jakość 3D (głębia jest znacznie mniejsza niż w systemach z okularami), a sam system pozwalający obserwować ekran pod różnym kątem też nie działa idealnie (nie trudno znaleźć miejsca w których obraz 3D się rozmywa). Wydany rok później 55-calowy model ZL2 niestety nie poprawiał tych wad.
Czy więc technologia 3D bez okularów skazana jest na porażkę? Tu na ratunek przychodzą naukowcy ze słynnego Massachusetts Institute of Technology. Opracowali oni technologię polegającą na użyciu kilku warstw ekranów LCD. Każda warstwa wyświetla minimalnie inny wzór tego samego obrazu, razem wszystkie warstwy składają się na ponoć bardzo przekonującą iluzję 3D. Niestety póki co technologia ma dużo ograniczeń i najlepiej sprawuje się wyświetlając statyczne obrazy w zaciemnionym pokoju. Jak jednak twierdzą naukowcy ma ona przyszłość, a żeby wyświetlać realistyczne, ruchome obrazy 3D potrzeba jedynie i aż lepszych ekranów o wyższej rozdzielczości i lepszej częstotliwości odświeżania (minimalne odświeżanie panelu w tej technologii musi wynosić 360Hz). Być może w jej rozwoju pomoże jednak nadciągająca rewolucja 4K. Jak więc widać, mimo że technologia 3D towarzyszy nam już od dawien dawna to ciągle się ona rozwija, a także przeżywa swoje wzloty i upadki. Czy w najbliższej przyszłości będziemy cieszyć oko super realistycznymi projekcjami 3D bez użycia żadnych okularów czy jednak 3D znów trochę podupadnie, wyparte przez fascynacje telewizorami typu OLED i rozdzielczością 4K? Prawdopodobnie przekonamy się w najbliższej przyszłości.
