В рамках проекта «Университет, открытый городу: Лекции молодых ученых Вышки в Культурном центре ЗИЛ» старший преподаватель департамента компьютерной инженерии Алексей Соболевский рассказал о том, как человечество научилось воспринимать и воспроизводить мир объемным.
Геометрия на компьютере
Первую кафедру компьютерной графики, в Университете Юты, открыли в 1960-х годах Айван Сазерленд и Дэвид Эванс. Сазерленд создал программу, которая являлась прообразом всех современных 3D-редакторов и CAD-систем — Sketchpad. На кафедре Сазерленда и Эванса работали такие люди, как Джим Блинн (создатель многих алгоритмов текстурирования), Би Тюн Фонг и Анри Гуро, которые также приложили руку к развитию алгоритмов затенения и текстурирования (Phong shading и Gouraud shading). Студентом Сазерленда также был Эд Катмулл — впоследствии технический директор и президент Pixar Animation Studios, кинокомпании, которая подарила нам «Историю игрушек», первый полнометражный анимационный фильм, созданный в трехмерных редакторах и программах трехмерной анимации. Его сборы по миру превысили 380 миллионов долларов, его триквел стал первым анимационным фильмом, собравшим в мировом прокате более миллиарда долларов, а про славу, которую этот мультфильм принес компании Pixar, даже говорить не нужно.
Но «История игрушек» вышла на экраны в 1995 году, а премьера первого фильма с использованием отдельных элементов трехмерной графики (Futureworld) состоялась еще в 1976-м. В то же время создавались первые программы 3D-моделирования, первые алгоритмы трассировки лучей для рендеринга трехмерной сцены и активно развивался полигональный метод моделирования трехмерных объектов, который сейчас является основным.
В середине 1980-х появились первые стандарты и адаптеры для обработки двумерной графики — MGA, CGA, EGA. Сейчас это кажется странным, но в начале 1980-х палитра в 16 цветов была пределом мечтаний для любителей компьютерной графики, да и из этой палитры можно было одновременно использовать только 4 цвета для вывода изображения. А разрешения экранов вообще измерялись не пикселями, как сейчас, а строками, так как в то время еще не стояла остро задача выводить изображения на дисплей.
Все открытия, которые были сделаны в математике до XX века, так или иначе являются базисом современной трехмерной графики
Но время шло, на смену видеоадаптерам пришли комбинации в виде адаптера и 3D-ускорителя, отвечающего исключительно за обработку трехмерных объектов, потом эти разные по классу устройства объединились в одно — видеокарту, обрабатывающую сразу и 2D-, и 3D-графику. К классическим обработчикам графической информации добавились специальные обработчики шейдеров — микропрограмм, которые сейчас отвечают за обработку большинства довольно сложных визуальных эффектов (бликов, дыма, отражений).
В 1998 году частоты, на которых работала память видеокарты, были в сто раз меньше, чем сейчас; объем памяти за это время вырос практически в тысячу раз. Про производительность даже говорить не приходится — видеокарты конца 90-х не могут решить и малой доли задач, которые современные видеокарты выполняют сотни раз в секунду.
Но в основе этого прогресса, да и самой идеи передачи трехмерного изображения, лежат научные открытия, сделанные даже не десятки, а сотни и тысячи лет назад. Без геометрии и функций невозможно задать поверхность в пространстве, без описания поверхности невозможно создать ее представление в компьютерной графике с помощью кривых, полигонов или вокселей. Все открытия, которые были сделаны в математике до XX века, так или иначе являются базисом современной трехмерной графики.
Создатели пространства
Евклид нам известен больше как основоположник «евклидовой геометрии», но мало кто понимает, что аксиомы, которые он ввел в своем 13-томном собрании «Начала», были многократно доработаны и формализованы, прежде чем дошли до наших дней. Однако его трактат является одним из первых действительно систематизированных собраний аксиом и теорем в области математики и геометрии.
Все (ну или почти все) знают про формулы Виета для нахождения корней квадратичного уравнения, однако многим ли известно, что именно он положил начало символьному анализу в алгебре, в результате чего все мы сейчас обозначаем неизвестные как x, y или z, а коэффициенты — как a, b, c? Без его трудов ни одна формула, отражающая функцию в трехмерном пространстве, не выглядела бы так, как она выглядит сейчас.
А что же Декарт? Из школьных учебников мы помним про декартово произведение и декартову систему координат, однако нам забывают объяснить, что свои открытия этот человек делал во времена инквизиции. Решиться на то, чтобы опубликовать труды по аналитической геометрии, когда «наградой» за научное открытие могло стать аутодафе, требовало немалого мужества. Именно исследования Декарта стали решающим шагом в переходе к понятию «функция», а без «функции» не существовало бы современной математики, программирования и многих других областей.
Интересно, могли ли Евклид, Декарт и Эйлер представить, какой технологический прорыв готовят их открытия? Могли ли вообразить, что люди создадут экран, с которого мы читаем этот текст
Спустя десятилетия после Декарта в математике наступила эпоха Эйлера. Он положил начало топологии, написал первый учебник по аналитической геометрии и основам дифференциальной геометрии. Кстати, Густав Эйлер почти полжизни прожил в России, был здесь избран академиком и даже похоронен в Санкт-Петербурге.
В истории 3D-графики не обошлось и без других российских ученых. Так, в начале XX века в России жили Борис Делоне и Георгий Вороной. Первый предложил метод триангуляции, который стал основой для создания современных методов разбиения поверхности трехмерных объектов на так называемые полигоны. Второй создал «диаграмму Вороного», которая тесно связана с триангуляцией Делоне. Прошло сто лет, а математическая составляющая этой диаграммы и сейчас применяется в анализе данных при кластеризации объектов.
Помимо алгоритмов развивались техника и технологии для обработки подобного рода информации. Нельзя не упомянуть имя Алана Тьюринга, который участвовал в разработке первого транзисторного компьютера в мире — «дедушки» современных iMac’ов и PC. В 1956 году Уильяму Шокли, Джону Бардину и Уолтеру Браттейну была присвоена Нобелевская премия по физике за открытие биполярных транзисторов. На транзисторах сейчас базируется практически вся электроника включая видеокарты современных компьютеров. Конечно, на развитие современной полупроводниковой схемотехники повлияли и исследования Жореса Алферова, также лауреата Нобелевской премии.
Что дальше?
Прогресс техники и технологий привел к тому, что в современной видеокарте более 4 миллиардов транзисторов. Техпроцесс, по которому сейчас создаются видеокарты, — 20 нанометров. Это в сотни раз меньше, чем толщина волоса. Мы дошли до следующего этапа развития вычислительных систем — начали придумывать задачи, не связанные с обработкой трехмерной графики, чтобы загружать вычислительные мощности видеокарт в свободное время. Были созданы особые спецификации и языки для работы с многопоточными многоядерными системами, которыми являются современные видеокарты.
Кластеры, в которые объединяют графические адаптеры, используются в совершенно разных областях — химии, прикладной физике, наноэлектронике, медицине. Благодаря технологическим возможностям видеокарт ученые, моделируя процесс свертывания белков, могут быстрее найти, к примеру, лекарство от рака или болезни Альцгеймера. По результатам таких проектов пишутся сотни научных работ на темы, уже не связанные непосредственно с трехмерной графикой.
Современные вычислительные мощности, используемые в этих проектах, являются прямым результатом эволюции человеческой мысли, трудов сотен философов, математиков и инженеров. Интересно, могли ли Евклид, Декарт и Эйлер представить, какой технологический прорыв готовят их открытия? Могли ли вообразить, что люди создадут экран, с которого мы читаем этот текст, и технику, которая обрабатывает и выводит символы и изображения?
Источник: www.hse.ru
3D TV: прошлое, настоящее, будущее
Сейчас никого не удивляет стереокино, 3D телевизоры и объемные картинки. Знаете ли вы, как давно в СССР был открыт первый 3D кинотеатр? Так ли хороша объемная картинка? Стоит ли покупать 3D телевизор, а если и стоит, то какой? Скоро узнаете!
Чтобы было более понятно, начнем с принципа формирования 3D изображения. (более подробно см лекции GMedia Lab по основам сжатия и 3D
Разбила 3D телевизор
3D телевизор, Аааа
Источник: www.hackfaq.net
Введение
Тема реферата «3D — телевидение» по дисциплине «Телевидение».
Наступление эры цифрового телевидения — уже свершившийся факт. Теперь телевидение стандартной четкости (SD) начинает сменяться телевидением высокой четкости (HD) и объемным (3D). В общем, в истории развития телевидения и видео можно выделить следующие крупные этапы:
1 — черно-белое телевидение — передается яркость изображения.
2 — цветное телевидение — передается яркость и цветовые составляющие.
3 — цифровое видео (Video CD, DVD).
4 — цифровое видео и телевидение высокого разрешения (Blu-Ray, HDTV).
5 — объемное цифровое видео и телевидение (3D).
3D — телевидение
История и принципы
С начала 2003 г. для разработки 3D-видео пять крупных японских компаний: Itochu, NTT DATA, Sanyo, Sharp и Sony объединились в организацию под названием «3D-Consortium». Задача нового объединения — формирование рынка объемных изображений (начиная от контента и заканчивая аппаратной реализацией). Как заявляют представители консорциума, плоское изображение морально устарело и не может передать всего великолепия объемной картинки. Поэтому настало время переходить на трехмерное изображение. В состав консорциума входят не только разработчики и производители оборудования. Свой интерес в этой нише имеют кинокомпании, поставщики и продавцы контента, учебные организации, разработчики ПО и многие другие
Если говорить строго, то современное «3D-видео», т.е. объемное видео, таковым не является. При его воспроизведении на экране отображается последовательность плоских кадров специального вида. Здесь правильнее говорить о «стереовидео», ибо в данном случае напрямую эксплуатируется такая особенность нашего зрительного восприятия, как разноракурсность вида для каждого из глаз. Построение трехмерного образа происходит уже в человеческом мозгу.
Природа наделила человека бинокулярным зрением: парой глаз, расположенных на расстоянии 60. 70 мм. За счет этого человек видит мир одновременно как бы с двух точек наблюдения. В результате, изображения, получаемые левым и правым глазом, слегка отличаются. Анализируя различия между изображениями, мозг воссоздает объем и удаленность наблюдаемых объектов (рис.1).
Кажущееся смещение рассматриваемого объекта, вызванное изменением точки наблюдения, называется параллаксом и является главным фактором в нашем восприятии трехмерности мира.
С теоретической точки зрения, добиться эффекта объемного изображения довольно просто: достаточно взять две телекамеры, расположить их объективы в точках, соответствующих расстоянию между глазами человека, а далее обеспечить раздельное видение снятых изображений правым и левым глазом.
Все способы, которые применяются для создания стереоэффекта в видео, используют именно принцип раздельного просмотра: левому глазу человека демонстрируется левое изображение, правому- правое. Различия заключаются в том, каким образом достигается сепарация(разделение)изображений. Большинство методов стереовизуализации в кино и телевидении известны уже более 100 лет.
Анаглифному методу показа — 150 лет. Метод предложен Д.Альмейда и Д.Ороном в 1858 году, реализован в кино Л.Люмьером в 1935 г. Анаглифный метод (от греческого anagliphos — рельефный) состоит в окрашивании изображений стереопары в дополнительные цвета, чаще всего в красный и сине-зеленый. Для разделения изображений при просмотре используются специальные очки с такими же фильтрами (рис. 2).
Этот метод работает практически на любых цветных телевизорах и мониторах. Разделение кадра на «левый» и «правый» компоненты происходит по спектральному принципу: перед левым глазом устанавливается красный фильтр (он видит только красный компонент картинки), перед правым — сине-зеленый (он, соответственно, воспринимает только сине-зеленый) Картинка, собранная из двух цветных полукадров, характерно «двоится» без очков, в очках же все «собирается’ воедино, и человек видит объемный черно-белый образ.
Существует несколько разновидностей анаглифа с разными парами цветов, но сути дела это не меняет. Главное достоинство этого метода — простота и дешевизна реализации. Основной недостаток — плохая цветопередача, — к сожалению, принципиально не устраним. Кроме того, глаза видят изображение в разных цветовых оттенках, что неестественно для зрения, а потому быстро утомляются.
Хотя ряд компаний продолжает разработки в области усовершенствования анаглифов и уже демонстрирует некоторые достижения Принцип остался неизменным: полукадры отображаются одновременно, а их разделение происходит по спектральному принципу.
Суть метода спектрального разделения легко понять, если взять полный спектр и «скрутить его в бублик» так, что получится «цветовое колесо» (рис. 3).
На нем хорошо видно, что красный и синий цвета диаметрально противоположны, т.е. являются взаимно-дополнительными. Если же взять не одну пару дополнительных цветов, а три, тогда удается добиться воспроизведения цветного трехмерного изображения.
Увы, обходится это весьма дорого: изготовление очков с тремя спектральными окнами прозрачности — дело не простое и не дешевое. Соответственно, удел этих суперанаглифов — профессиональное 3D.
Поляризационному методу стереопроекции около 120 лет. Предложен Ж. Андертоном в 1891 году, получил широкое распространение после изобретения в 1935 г. Е. Лэндом поляроидной пленки. Левый и правый кадр проецируются одновременно, но свет поляризуется в разных направлениях. Просмотр осуществляется с помощью очков, имеющих соответствующие светофильтры.
Достоинства — четкое разделение стереопары, сохранение цветности, недостатки — дорогостоящее оборудование и необходимость просмотра в специальных очках. Чаще всего используется круговая поляризация, поскольку у нее есть определенные преимущества перед линейной: при использовании линейной поляризации, если зритель в линейно-поляризованных очках наклоняет голову, эффект стерео пропадает. При циркулярной поляризации такого не происходит.
В этих телевизорах используется «хитрый» экран: на него напыляются поляризаторы, причем не сплошь, а построчно. На четные строки наносится, допустим, «правый» поляризатор (создающий круговую поляризацию в одном направлении), а на нечетные — «левый» (закручивает поляризацию в противоположном направлении). Полученное видео просматривают через очки с соответствующими поляризационными стеклами.
Теоретически принцип весьма прост и сулит всю совокупность плюсов с одним очевидным минусом — вертикальное разрешение падает вдвое. Вдобавок, сложность изготовления и, соответственно, высокая цена экрана. Именно поэтому удел этой технологии (пока) — профессионалы, работающие с 3D.
Эклипсный (светоклапанный) метод сепарации занял доминирующее положение в 3D-видео. Суть его заключается в следующем. На экран видеомонитора последовательно выводятся изображения левого и правого кадров стереопары. Синхронно с выводом изображений переключаются специальные очки с жидкокристаллическими (ЖК) затворами, через которые наблюдатель смотрит на экран (рис. 4).
Таким образом, при формировании на экране монитора изображения правого кадра левый ЖК-затвор затемняется, и наоборот.
Данный способ позволяет получить высокое качество сепарации и хорошее разрешение изображении. Однако для его реализации требуются отображающие устройства, способные работать при очень высоких частотах обновления (кадровой развертки). Дело в том, что каждый из глаз видит изображение с пониженной вдвое частотой кадров, поэтому возможно появление эффекта мерцания.
Частота кадров, при которой мерцания незаметны, зависит от соотношения длительности интервала отображения и интервала гашения. Например, в телевидении изображение появляется на экране на 18,4 мс с перерывом всего в 1,6 мс, и мерцания практически незаметны. В случае с ЖК-очками интервал гашения гораздо больше и практически равен интервалу отображения. Если частота обновления монитора — 100 Гц, то каждый глаз видит изображение в течение 19 мс и черный экран в течение 21 мс. В таком случае появление мерцании неизбежно.
Тем не менее, в массовом телевидении на сегодняшний день наибольшее распространение получили именно очки с активными ЖК-затворами. Работают они просто: телевизор попеременно показывает кадры для правого и левого глаза, одновременно посылая по инфракрасному каналу импульсы синхронизации.
Очки с инфракрасным приемником оснащены ЖК-транспарантами в стеклах, которые поочередно открываются и закрываются. Когда на экране «левый кадр», открыта шторка для левого глаза и закрыта для правого, и наоборот (рис. 5). На этом принципе основаны все без исключения бытовые 3D -телевизоры, предлагаемые разными производителями.
Очевидный недостаток данного метода — чтобы передать один полный стереокадр, приходится посылать два полукадра. Это приводит либо к тому, что частота кадров снижается вдвое, либо для поддержания частоты кадров приходится вдвое увеличивать видеопоток. Кроме того, поскольку в очках одновременно открыт только один затвор, эффективная яркость светового потока сквозь них снижается вдвое, а это, естественно, сказывается на восприятии телевизионной картинки.
Растровому стерео — более 110 лет. Такие системы называются ае-пюстереоскопическими, поскольку создают стереоэффект как бы сами собой, без помощи очков. Метод безочкового стерео с применением параллельного светопоглощающего растра предложен одновременно Бертье и Лизегангом в 1896 г. Впервые для демонстрации стереокино этот метод предложен в СССР С.Ивановым и А.Андриевским и реализован под руководством Б.Иванова в 1942 г. Первый в мире кинотеатр с растрово-линзовым экраном «Стереокино» был открыт в Москве в 1947 г. Растр выглядел в виде ряда непрозрачных вертикальных полос. Свет проходил в прозрачные участки между полосами, и каждому глазу зрителя показывался необходимый фрагмент изображения. Размеры экрана составляли 3×3 м.
Для показа через растр исходная стереопара кадров «нарезается» на вертикальные полоски, которые затем чередуются так, чтобы под каждой линзой оказалась пара полос: одна-от левого кадра, другая-от правого (рис.6). Поток света от изображения, проходя через линзы, разделяется таким образом, что левый глаз наблюдателя видит левое изображение, правый глаз — правое.
Достоинство растрового метода в том, что устройство сепарации объединено с самим изображением, и зрителю не нужно надевать очки для просмотра. Недостаток — большой объем данных, требующихся для качественного воспроизведения изображения.
Кроме перечисленных, существуют и другие технологии создания объемного видеоизображения, которые пока не получили широкого распространения. В качестве примера можно привести голографию — получение пространственного изображения объекта (голограммы) путем регистрации амплитуды и фазы световых волн, отраженных от его поверхности. Существуют разные способы получения голограмм, однако все они основываются на явлениях дифракции и интерференции световых волн.
Излучаемый лазером когерентный монохроматический свет разделяется на две составляющие, из которых формируются опорный и предметный пучки света. Предметный пучок отражается от регистрируемого объекта, складывается с опорным пучком, и в пространстве формируются неподвижные области максимумов и минимумов, т.е интерференционная картина, которая фиксируется, например, специальной фотопластинкой (рис.7). При освещении этой пластинки лазерным лучом в пространстве появляется объемная копия регистрируемого объекта, которая может быть почти неотличимой от оригинала. В отличие от стереопары, содержащей только два ракурса объекта, голограмма содержит информацию о бесконечно большом количестве видов, поэтому при рассматривании голографического изображения с разных сторон возникает ощущение плавного оглядывания объекта.
Главная проблема голографии состоит в том, что голограмма чрезвычайно избыточна, т.е. содержит очень много «лишней» информации, а это в свою очередь, вызывает большие сложности в ее применении. Когда работает обычный плоский экран, светятся (фактически как точечные источники) пиксели на его поверхности, и мы четко видим проекцию пространственной картины на плоский экран: классическую 20-картинку. Если вместо плоского экрана взять реальные объекты (или их топографические изображения) и расположить их позади простого стеклянного экрана, световое поле, проходящее сквозь стекло, примет иной вид: световые пучки разных цветов будут иметь не только различную яркость, но и пространственную ориентацию (рис. 8).
Источник: studbooks.net