Стереотелевидение

Стереотелевидение. Введение.
Стереотелевидение –телевидение, позволяющее передавать и воспроизводить электрическими средствами трехмерность окружающего нас пространства и, в частности, в красках (стереоцветное телевидение).
Стереотелевидение базируется на стереоскопии – науке о зрительном восприятии трехмерности реального мира –и на колометрии - науке о цвете. При помощи стереоцветного телевидения реализуется новое качество телевидения–воспроизведение рельефности и цвета предметов, что ведет не только к повышению эмоционального воздействия на зрителя, но и к более эффективному использованию каналов связи.
Стереотелевидение может принести большую пользу науке и народному хозяйству там, где требуется наибольшая наглядность и выразительность воспроизводимых объектов и событий и особенно там, где оператор не может присутствовать на месте событий.
В настоящем дипломном проекте разрабатывается цветная стереотелевизионная телекамера, предназначенная для работы в комплексе с бинокулярным микроскопом и различными устройствами видеоконтроля и записи видеоизображений. 1. Особенности построения стереотелевизионных систем.
Первые шаги в области создания и просмотра стереоскопических изображений восходят к 20-м годам, к таким первопроходцам в этой области, как Лоджи Берд (Logie Baird), Хамонд (Hammond) и Зворкин (Zwyorkin).
Начало разработок стереотелевидения в СССР относится: черно-белого –к 1949 году (первое изображение получено в 1950-м году, а в 1952-м году выпущена первая промышленная установка) и цветного– к 1958-му году (первое изображение –1959-й год). Стереоцветная установка ЛЭИС в 1962-м году демонстрировалась на ВДНХ в Москве и в 1964-м году– на советской выставке в Генуе, Италия. 1. 1. Зрительный орган как система связи.
Конечным индикатором при телевизионной передаче является наш глаз, поэтому на каждом этапе развития телевизионной техники учитывалось то или иное свойство зрительного органа. И чем совершеннее становилась телевизионная система, тем глубже и полнее опирались при ее построении на возможности зрения. Наиболее полно это отразилось на стереоцветной системе, которая ближе всего подводит к условиям непосредственного наблюдения и опознания натуры.
Зрительная система, как известно, обладает пространственной и временной разрешающей способностью. , а также контрастной чувствительностью. Другими словами, пространство и движение мы воспринимаем дискретно. Телевизионные вещательные системы строятся на основе использования только временной дискретности зрения и пока не обеспечивают передачу привычной для глаза пространственной дискретности.
Техника развития телевидения не имела целью слепое копирование зрительной системы. Но сопоставление на данном этапе процессов, происходящих в телевизионной и зрительной системах, может быть полезным.
Если условно расчленить зрительную систему на функциональные узлы , то можно сопоставить ее с системой стереоцветного телевидения (рис. 1. 1). Схематическое сопоставление систем бионической (зрительной) и кибернетической (телевизионной). Рисунок 1. 1.
Рассмотрим коротко основные функции, присущие отдельным ступеням кибернетической и бионической систем.
1. Преобразование оптического изображения в электрические сигналы. В телевидении, это совершается в передающей камере 1 путем того или иного вида развертки изображения и, по существу, является первичным кодированием изображения соответствующими электрическими сигналами.
В зрительном анализаторе совершается развертка изображения, как и в передающей телевизионной камере, только в более совершенной форме. При рассматривании крупных объектов оба глаза синхронно совершают скачкообразные движения, переводя наше внимание от одной точки к другой. Кроме того, благодаря мелким движениям глаз по горизонтали и вертикали, выявляется основная информация об объекте. Такая дискретная развертка обеспечивает большую четкость деталей, нежели непрерывная, применяемая в телевидении.
2. Кодирование –трансформация первичной информации в сигналы, удобные для передачи. В черно-белом телевидении этот процесс отсутствует. В цветном и стереоцветном телевидении кодирование совершается особо рассчитанными электрическими матрицами. Кодированию подвергается информация каждого элемента изображения, причем кодовый сигнал должен нести информацию не только о яркости данного элемента, но и о его цвете.
В зрительной системе световой поток от цветного объекта, падая на сетчатку, вызывает реакцию в соответствующих элементах колбочкового аппарата, что приводит к возникновению в ганглиозных клетках электрических импульсов определенной частоты. Таким образом, оптическое изображение, образуемое на сетчатке, кодируется частотой электрических импульсов, посылаемых разными порциями в высшие отделы анализатора 4 и 5.
3. Передача электрических сигналов. Зрительную систему можно рассматривать как идеальную систему связи, то есть передающую сообщения без ошибок со скоростью, определяемой пропускной способностью канала. Последнее, по Шеннону, определяется как C=DF*log2Pc+Pп/Pп=DF*log2(1+Pc/Pп), дв. ед. /сек. , (1)
где DF – полоса частот пропускания; Рс и Рп –соответственно, средние мощности полезного сигнала и помехи в виде “белого шума”.
Воспользуемся уравнением (1) для определения пропускной способности стандартного телевизионного канала при полосе частотD F=6 МГц и отношении сигнала к помехе y=25, требуемом для хорошего качества воспроизводимого изображения. Под величинойyздесь понимается отношение полного размаха видеосигнала (от уровня черного до уровня белого) к среднеквадратичному значению помех. В итоге: Сmax= 56 ґ 106 дв. ед. / сек.
В цветном телевидении с уплотнением спектра частот яркостного сигнала и при квадратурной модуляции цветовой поднесу щей цветоразностными сигналами для систем NTSC и PAL: С = 19 ґ 106 дв. ед. / сек.
Для цветной системы SECAM (модуляция цветовой поднесу щей цветоразностными сигналами через строку): С = 16 ґ 106 дв. ед. / сек.
Для стереоцветной системы с квадратурной модуляцией, когда один кадр цветной стереопары передается в черно-белом виде с полосой 6 МГц, а другой в красках с полосой 1, 5 МГц: С = 19 ґ 106 дв. ед. / сек.
Пропускная способность зрительного анализатора на уровне сетчатки тоже составляет десятки миллионов двоичных единиц в секунду. Но по мере перехода к высшим отделам зрительного органа производится отбор полезной информации из всего потока сообщений, что приводит к весьма экономной форме их кодирования. Обращает на себя внимание тот факт, что пропускная способность зрительной системы ниже телевизионной, а канал передачи импульсов в миллионы раз сложнее. Видимо, последний используется более широко для обратных связей, то есть подачи разных команд от коры головного мозга.
4. Декодирование –преобразование кодовых сигналов в сигналы первичной информации. В телевидении для этого служат электрические матрицы, на выходе которых получаем первичные сигналы основных цветов R, G и B для левого и правого изображений. Как будет видно ниже, допустимо ограничиться сигналами R, G и B только для одного изображения стереопары, а для другого иметь только яркостный сигнал Y. В бионической системе кодовые сигналы преобразуются в энергию биологических процессов, создающих визуальное ощущение. Совершается это в одном из высших разделов зрительного органа.
5. Синтез изображения –превращение первичной информации в модель передаваемого объекта. Этот завершающий этап воспроизведения изображений в телевидении осуществляется приемным устройством. В бионической системе зрительные образы возникают в коре головного мозга и автоматически, в большей или меньшей степени, сохраняются в памяти. В телевидении же для сохранения изображения в необходимых случаях применяется дополнительный процесс– запись изображения.
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. Уголaпри 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 Кл и Кпокрашивается 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 Uўял Uўяп. Затем формируются цветоразностные сигналы правого кадра Uўкп Uўсп. Яркостный сигнал Uўял левого кадра и сигналы правого кадра подаются на смесительное устройство, в котором получается полный сигнал стереоцветного изображения, согласно уравнению: Uўс = Uўял + k1Uўп.
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 - 530ґ290ґ420 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 Ол и Оп 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 Ол и Оп 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,
1. 6. Требования, предъявляемые к системам стереоцветного телевидения.
При создании стереоцветной системы следует стремиться к гармоническому сочетанию. Воспроизведения натуральной окраски, рельефности предметов и глубины пространства. Требования, предъявляемые к воспроизведению рельефности, будут различными в зависимости от назначения системы: для промышленных целей или для вещания. В промышленных установках пространственные формы и величинам объемного изображения должны соответствовать реальным объектам и при необходимости должны быть пропорционально уменьшены или увеличены во всех трех измерениях. Следовательно, в промышленных установках должно уделяться особое внимание идентичности разверток передающих и приемных трубок, чтобы обеспечить выполнение указанных выше требований.
Для художественной передачи не обязательно точное воспроизведение объема, а в зависимости от замысла режиссера может быть несколько искажена перспектива для подчеркивания того или иного плана в пространстве, для привлечения внимания зрителя именно к этой части передаваемого изображения.
Требования, предъявляемые к цветному стереотелевидению с точки воспроизведения цвета, аналогичные требованиям к соответствующим системам цветного телевидения. В некоторых промышленных системах качество цвета может быть несколько снижено, если это дает значительное упрощение аппаратуры [1]. 1. 7. Телевидение и голография [5].
Стереоскопические системы являются базой для создания многоракурсных телевизионных систем, дающих возможность плавного бокового обзора (оглядывания) воспроизводимых изображений. Объемные изображения можно наблюдать без специальных очков с разных ракурсов, смещаясь относительно экрана внутри большой зоны пространства без потери стереоэффекта.
Можно предполагать, что будущее телевидения –это голографическое телевидение, однако при реализации голографических телевизионных систем возникает много технических трудностей, связанных, в частности, с большой информационной емкостью голограмм и высокой удельной плотностью информации. 1. 7. 1. Способы получения голограмм.
Голография основана на записи и последующем восстановлении волнового фронта рассеянного объектом света. Первый этап использует явление интерференции при взаимодействии двух когерентных пучков (рис. 1. 8). Лазерным светом освещают объект и зеркало. Свет, отраженный объектом (предметный волновой фронт, предметный пучок) и зеркалом (эталонный волновой фронт, или опорный пучок, или когерентный фон), пересекается в определенной области пространства и взаимодействует между собой, образуя пространственное интерференционное поле, поле узлов и пучностей, максимумов и минимумов интенсивности. Запись голограммы. Рисунок 1. 8.
Если в этом пространстве поместить фоточувствительную среду, то она зарегистрирует часть этого интерференционного поля. Такая светочувствительная среда после фотохимической обработки называется голограммой. В простейшем случае голограмма представляет собой чередование светлых и темных полос. Число интерференционных полос, то есть количество светло-темных пар линий на единицу длины голограммы, называется пространственной частотой.
Отличие голографического процесса записи от обычного фотографирования заключается в том, что на голограмме записана не только амплитудная, но и фазовая информация, выраженная в виде чередования по определенному закону светлых и темных полос. Отсюда и происхождение слова “голография”: от греческих слов “олос”– полный – и “графо” –пишу, то есть запись полной информации. Голография была изобретена Дэннисом Габором. В 1947 году он предложил, а в 1948 году опубликовал однолучевую схему для голографирования полупрозрачных плоских объектов. В 1961 году Эммет Лейт и Юрис Упатниекс усовершенствовали исходную схему Габора, предложив свою двухлучевую (с наклонным опорным лучом) схему формирования плоских голограмм непрозрачных трехмерных объектов.
Схема восстановления изображения с голограммы показана на рис. 1. 9. Восстановление изображения с голограммы. Рисунок 1. 9.
Более простой и перспективный метод получения цветных изображений основан на использовании объемных светочувствительных эмульсий при формировании трехмерных голограмм. Этот метод формирования трехмерных голограмм, наиболее полно отражающих оптические свойства объекта, разработал советский ученый Юрий Николаевич Денисюк в 1962 году.
Для получения трехмерной голограммы объект освещают сквозь объемную светочувствительную эмульсию (рис. 1. 10). Свет отражается от объекта (объектом является зеркало) и, возвращаясь назад, интерферирует с опорным пучком под углами, близкими к 180°.
Получение трехмерных голограмм (а) и воспроизведение с них изображений (б). Рисунок 1. 10.
Плоскости пучностей и, соответственно, плоскости почернения, располагаясь по биссектрисе углаQмежду направлениями встречных пучков, будут почти параллельны плоскости голограммы и будут удалены друг от друга на расстояние: d = l / 2n sin Q/2,
где n – показатель преломления светочувствительной эмульсии, а l - длина волны в воздухе.
1. 7. 2. Попытки построения голографических телевизионных систем.
Практическая реализация голографической телевизионной системы встречает ряд весьма существенных трудностей. Одна из предложенных схем показана на рис. 1. 11. Структурная схема голографической телевизионной системы. Рисунок 1. 11.
Передаваемая сцена освещается либо одним, либо несколькими взаимно когерентными лазерами. Свет, рассеянный объектами сцены совместно с опорным лучом, попадает на анализирующее устройство голографической телевизионной камеры, в которой картина интерференционных световых потоков преобразуется в последовательность электрических сигналов. Последние затем передаются по каналу связи. На экране приемного устройства из электрических сигналов формируется голограмма, которая при освещении ее лучом лазера восстанавливает передаваемый сюжет. Но при этом обязательным условием является наличие источников только когерентного излучения при освещении объекта, что ограничивает съемки рамками студии.
Также требуется разрешающая способность голографической системы вдвое превышающая ныне существующую. В связи с этим работа разверток голографической телевизионной системы также должна быть повышена, что повлечет за собой увеличение требуемой полосы частот канала связи для передачи информации об изображении.
Вопрос о путях построения голографических телевизионных систем до сих пор еще не решен. Развитие голографического телевидения будет идти, очевидно, в двух направлениях. Одно их них ставит своей целью совершенствование всех звеньев (передающее устройство, канал связи, приемное устройство) для создания голографических телевизионных систем. Второе направление заключается в построении промежуточных паллиативных систем, в которых новые качественные параметры пространственных изображений достигались бы не слишком дорогой ценой и которые поэтому могли бы быть реализованы в обозримом будущем. Ниже приводится один из вариантов схем построения многоракурсных систем (рис. 1. 12). Схема построения многоракурсной телевизионной системы. Рисунок 1. 12.
Всю схему можно разделить на несколько частей, функции которых вполне определенные: съемка объекта, передача изображений, совмещение изображений и селекция ракурсов. Съемка объекта осуществляется путем размещения по дуге АБ нескольких передающих камер. Формирующих телевизионные двухмерные изображения, отличающиеся друг от друга только горизонтальным параллаксом. В статических системах, работающих не в реальном масштабе времени, можно использовать одну камеру, последовательно перемещая ее по дуге АБ на угловые интервалыDy. В последнее время трудности, встречающиеся при создании практических систем голографического телевидения, послужили причиной расширения области исследований дифракционных систем, в которых используется не только когерентное: но также частично когерентное и некогерентное освещение. [6] Системы голографического телевидения, созданные на сегодняшний день, находят применение в различных сферах человеческой деятельности.
В заключение приведем одну из схем оптической установки для создания голографических изображений в области медицины, разработанной в 1992 году (рис. 1. 13) [7].
Оптическая установка для создания голографических изображений. Рисунок 1. 13.