Přichází 3D televize. Jak funguje trojrozměrné zobrazování?

Vše ostatní, co se stalo od přechodu na barevné televizní vysílání a digitální přenos signálu, včetně současného přechodu na televizi s vysokým rozlišením (HDTV), si dovoluji označit za změny kvantitativní, byť některé z nich byly a jsou velmi významné. Trojrozměrné televizní vysílání je ale další velkou kvalitativní změnou, která způsobí v oboru revoluci. A nemusíme na ni čekat další desítky let.

Principy trojrozměrného (stereoskopického) zobrazování jsou známy již dlouho. Prostorový (trojrozměrný) vjem statického obrazu, který vzniká v mozku člověka při sledování dvou plošných posunutých obrazů stejné scény, popsal již ve 30. letech 19. století sir Charles Wheatstone. Od té doby nastal veliký rozmach praktického uplatnění jeho poznatků, především v oblasti filmové techniky. Známá je například „zlatá éra kinematografie“ v 50. létech minulého století, která částečně přetrvává prakticky dodnes. Nicméně do televizní techniky si stereoskopie hledá cestu podstatně pomaleji z důvodů, které se pokusím v dalším textu objasnit.

S trojrozměrnou televizí se zatím spíše experimentovalo, velcí výrobci televizních přijímačů ale už pracují na nových řadách luxusních televizorů, k nimž přidají speciální brýle pro sledování 3D obsahu

Zúčastněte se první konference o 3D televizi v Česku

Chcete se zúčastnit vůbec první konference na téma 3D televizorů a stereoskopického televizního vysílání v České republice? Server DigiZone.cz pořádá ve čtvrtek 22. dubna 2010 v hotelu Jalta na Václavském náměstí v Praze odborný kulatý stůl se zástupci světových výrobců televizorů, televizních stanic, operátorů vysílacích sítí i státních regulačních orgánů. Na místě si můžete vyzkoušet dva typy 3D televizorů, určených pro český trh. Podívejte se na program konference a registrujte se jako účastník prostřednictvím online formuláře.

Kvůli rozsáhlosti tématu jsem se rozhodl článek rozdělit na dvě části. V té první, kterou právě čtete, popíši nejčastěji užívané stereoskopické zobrazovací systémy, které vyžadují pro vytvoření prostorového vjemu speciální brýle. Druhé pokračování, které vyjde na DigiZone.cz za týden, bude věnováno principům tzv. auto-stereoskopických zobrazovacích systémů, které představují budoucnost televizní techniky.

Možnosti stereoskopického zobrazování

Stereoskopické 3D zobrazování pomocí speciálních brýlí

Stereoskopické zobrazování dvou vedle sebe umístěných snímků

Jde o historicky nejstarší způsob, který je používán dodnes. Pomocí stereo-prohlížečů (tzv. stereoskopů – obr. 2), se brýlemi pozorují dva vedle sebe umístěné statické snímky (obr. 1) pořízené fotoaparáty horizontálně posunutými o rozteč očí (cca 7 cm). Tato vzdálenost bývá často nazývána, podobně jako v audiotechnice, stereobáze. Pro tyto účely byly a stále jsou vyráběny i speciální fotoaparáty se dvěma objektivy. Díky digitální fotografii je možno potřebné posunuté obrázky dnes vytvořit i pomocí speciálních programů z digitální fotografie.

Brýle umožňují buď přímé (pravé oko pozoruje pravý a levé oko levý dílčí snímek) nebo naopak křížové sledování posunutých snímků (pravé oko pozoruje levý a levé oko pravý dílčí snímek). Experimenty ukázaly, že právě „zkřížené“ sledování umožňuje rozšíření zorného pole a zlepšení hloubky stereoskopického efektu. Pro toto zobrazování byly vyvinuty brýle se speciální prismatickou optikou. Dílčí snímky jsou v tomto případě rovněž přehozeny. Princip funguje i pro pohyblivé obrazy, je tedy teoreticky použitelný i pro televizi, ale vyžaduje speciální řádkový rozklad.

3D televize – jak se sleduje

Obr.1: Dvojice posunutých snímků stereoskopu	Obr. 2: Stereoskop

Výhodou těchto systémů je dostatečný jas výsledného obrazu, protože se jasové příspěvky dílčích snímků se sečítají v plné hodnotě. Často mají dílčí snímky formu diapozitivů. Nevýhodou, společnou pro všechny 3D systémy uvedené v této kapitole, je nutnost použití speciálních brýlí.

Stereoskopické zobrazování superposice dvou posunutých obrazů (systém Anaglyph)

Pozorovaný obraz tvoří superpozice dvou dílčích obrazů (tzv. anaglyph – viz obr. 3) současně snímaných dvěma fotoaparáty (kamerami), které jsou opět horizontálně posunuty o vzdálenost očí a snímají tedy scénu pod různými úhly. V kinematografii nebo projekční televizi se dílčí obrazy promítají na plátno přes barevné filtry (zelenomodrý a červený). Divák sleduje obrazovku brýlemi se stejně barevnými skly (obr. 4). Tato barevná filtrace zajišťuje, že každé oko vnímá jen příslušný dílčí obraz a v mozku se vytváří prostorový vjem. V případě barevných obrazů může tento způsob separace zkreslit barevný vjem výsledného virtuálního obrazu.

3D televize – princip fungování

Obr. 3: Anaglyph	Obr. 4: Brýle s barevnými filtry

Postupně vznikala celá řada variant tohoto systému. Jedním z nich je např. systém Color Code 3D, u něhož je použita jiná barevná kombinace (žlutá-tmavě modrá ve filtrech projektorů a jantarová-tmavě modrá ve filtrech brýlí). Za zmínku stojí i kompatibilní Anachrome Method s podstatně užší stereobází sledující možnost pozorovat anaglyph i bez brýlí – samozřejmě bez prostorového vjemu. Nevýhodou této metody je, kromě nutnosti použití speciálních brýlí, malá přípustná odchylka pozice pozorovatele vůči ose obrazu, ve kterém se projevuje prostorový vjem (stereoskopický efekt).

Dnes, ve věku digitální fotografie, již existuje spousta programů, které umožňují vytvořit anaglyph z běžné 2D digitální fotografie [1].

Brýle vybavené různě polarizovanými filtry (s ortogonální nebo kruhovou polarizací)

Výsledný obraz i v tomto případě opět tvoří současná superpozice dvou dílčích obrazů snímaných posunutými kamerami. Je vytvořena na projekční ploše projekcí ze dvou projektory vybavených polarizačními filtry s různými orientacemi nebo směry polarizace. Divák pozoruje obrazovku brýlemi s odpovídajícími polarizačními filtry různé polarizace pro každé oko. Výhodou této poněkud dražší metody je menší barevné zkreslení barevného vjemu. Projekční plocha je však velmi drahá (speciálně upravené stříbrné plátno), protože nesmí způsobovat změnu polarizace dopadajícího a odraženého světelného toku (depolarizaci).

Postupné stereoskopické zobrazování dílčích obrazů se zatemňováním (Eclipse Method)

Dílčí obrazy, snímané posunutými kamerami, jsou zobrazovány na zobrazovači nebo promítány na projekční plochu postupně. Jejich sled může být totožný např. s periodou půlsnímků. Pro snížení zkreslení v případě sekvencí snímků s rychlou změnou obsahu je vhodné periodu střídání zkrátit – např. použitím 100 Hz rozkladu. Luminofory zobrazovače (zejména zelený), případně použitá projekční plocha, nesmí ze stejného důvodu vykazovat dlouhý dosvit. I v tomto případě je nutno použít pozorovací brýle. Průzory levého a pravého oka se postupně zatemňují a otvírají synchronně se střídáním dílčích obrazů. Potřebný synchronizační signál je obvykle vysílán v pásmu IR záření, což může prakticky omezit pozorovací prostor a počet diváků. Technickou realizaci lze zajistit např. brýlemi s přepínanými LCD (angl. LCD SH Shutter Glasses). U této verze je pozorovací úhel větší.

Plazmový televizor, který je „3D ready“, představila již loni v únoru společnost Samsung. Na tuzemský trh se ale tato novinka ještě nějakou dobu nedostane.

Tuto metodu lze realizovat i v pasivní asynchronní formě nevyžadující řízení funkce brýlí diváka. Dílčí obrazy se v tom případě promítají v časovém sledu dvěma projektory vybavenými polarizačními filtry s různými směry polarizace. Divák používá brýle s odpovídajícími polarizačními filtry různé polarizace pro každé oko podobně jako v předchozí metodě.

Poznámka: Vysílání vhodného signálu pro 3D televizi lze v době digitální televize – např. zemského standardu DVB-T, realizovat poměrně snadno. Digitální obrazové signály levého a pravého dílčího obrazu jsou na produkční straně v příslušném multiplexu kódovány samostatně a přenášeny v transportním toku, jehož přenosová rychlost musí být přirozeně vyšší (cca 10 Mbit/s). Na přijímací straně je potřebný přijímač se dvěma dekodéry MPEG-2 (přijímač umožňující funkce PIP, PaP s oběma online obrazy) a nejlépe 100(200) Hz rozkladem, z něhož musí být také odvozen rovněž synchronizační signál pro IR řízení zatemňovacích brýlí diváka.

Na závěr této části dvoudílného seriálu o 3D televizi bych se rád čtenářům specialistům omluvil za zkrácenou a možná někde až příliš zjednodušenou formu výkladu, kterou jsem směroval především na laické čtenáře. Problematika stereoskopického zobrazování je natolik rozsáhlá, že ji není možno vtěsnat do poměrně malého rozsahu tohoto článku. Zájemce o tuto problematiku najde spoustu hlubších i aktuálnějších informací na Internetu.

Použitá literatura

[1] http://www.3a­litydigital.com

[2] http://www.to­day3d.com

[3] http://www.di­gitalpraxis.net/ste­reoscopic3d

[4] http://stereos­copstudios.com

[5] http://www.the3dre­volution.com

[6] http://en.wiki­pedia.org/wiki/3D_film

[7] http://en.wiki­pedia.org/wiki/3D_glas­se

[8] http://www.tri­dakt.cz

[9] http://www.3djou­rnal.com

[10] Vít,V. Televizní technika – projekční a velkoplošné zobrazování, BEN, Praha 2000

Autor je zaměstnancem Ústavu radioelektroniky FEKT VUT v Brně