Технологии 3D телевидения

НТУУ «КПИ»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

на тему:

«Технологии 3D телевидения»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Киев 2011

 

 

Содержание

 

1. Вступление

2. 3D телевизоры

3. Как работает 3D Full HD телевидение

4. Спутниковое 3D телевидиние. Технологии и перспективы.

5. Выводы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Вступление

 

В настоящее время появляются телевизоры, позволяющие видеть глубокое объёмное изображение, не используя  стереоскопические или иные очки. В будущем такие телевизоры смогут появиться в домах и будут  предназначены для трансляции телеканалов, а сейчас редкие экземпляры используются в основном для рекламы.

Одна из первых фотографий экрана 3d телевизора

 

По состоянию на август 2009 г. только японский телеканал BS11 3D (принадлежит компании Nippon BS), вещает передачи, поддерживающие трёхмерное изображение (работает с 2008 г.). В конце 2009 г. cпутник с 3D-вещанием был запущен в США, в 2010 г. — в России и Восточной Европе. 17 мая 2010 года телеканал OCEAN-TV впервые запустил тестовое 3D вещание, а с 8 июня 2010 года, во Всемирный день Мирового океана запустил регулярный показ музыкальных роликов с подводными съёмками в 3D формате. Первый трехмерный развлекательный канал „nShow 3D” с декабря 2010 года появился так же в Польше на цифровой платформе „Н”.

В индустрии видеоразвлечений технология 3D существует еще с 80-х годов двадцатого века. В большинстве советских  городов был кинотеатр «Стерео» или хотя бы зал стереокино. Так  чем же то 3D отличается от 3D нынешнего?

Обмануть наши глаза, а точнее, мозг, заставить его верить, что плоское  изображение обладает объемом, можно  разными способами. Самый простой  и известный — стереоэффект. Показывая  правому и левому глазу отдельно одно и то же изображение, но снятое с учетом особенностей каждого глаза, можно добиться иллюзии глубины  на картинке. Подобные трюки демонстрировались  на ярмарках еще в позапрошлом  веке.

Другой, более совершенной 3D-технологией  является голография. Плоское изображение  в ней является на самом деле многослойным. Свет, отражаясь от этих многочисленных слоев, создает эффект глубины и  объемности безо всяких вспомогательных  средств.

Безусловно, голография по всем параметрам обгоняет стереографию в битве за качество 3D-эффекта. Но проигрывает  в простоте реализации. На данный момент попытки создать голографическое  видео (вспомним «Звездные войны») носят  академический характер. Закоперщиками в этом деле являются японские ученые и специалисты Массачусетского технологического института.

Виды  трёхмерных мониторов. Стереоскопические 3D-дисплеи формируют отдельные изображения для каждого глаза. Такой принцип используется в стереоскопах, известных ещё с начала XIX века.

Автостереоскопические 3D-дисплеи  воспроизводят трёхмерное изображение  без каких-либо дополнительных аксессуаров  для глаз или головы (таких как  стереоочки или шлемы виртуальной  реальности).

Голографические 3D-дисплеи  имитируют пространственное размещение световых волн в таком виде, как  они располагались бы при отражении  света от реального трёхмерного  объекта.

Экран 3d телевизора

 

Объёмные дисплеи используют различные физические механизмы  для показа светящихся точек в  пределах некоторого объёма. Такие  дисплеи вместо пикселов оперируют  вокселами. Объёмные дисплеи строятся на разных принципах. Например, могут  состоять из множества плоскостей, формирующих изображение, которые  расположены одна над другой, или  плоских панелей, создающих эффект объёмности за счёт своего вращения в  пространстве.

Рекорд. Самый большой светодиодный 3D-телевизор был разработан украинской компанией ЕКТА и использовался для прямой трансляции финального матча Лиги чемпионов УЕФА в клубе Гётеборга (Швеция) 28 мая 2011 года.  Видеотрансляцию осуществила компания Viasat-Швеция.  Мировой рекорд зафиксирован в Книге рекордов Гиннесса.

 

2. 3D телевизоры

 

Принцип работы 3D телевизора. Все представленные на выставках модели 3D телевизоров имеют разрешение Full HD, так же как и средства предоставления объемного контента. Эти выставки вызвали большой интерес у посетителей. И если возможности объемного изображения уже реализованы в проекторах и телевизорах, то объемное телевидение высокой четкости - это другая технология.

3D в кинотеатрах. Объемное изображение в кинофильмах уже давно можно смотреть в кинотеатрах. При первых просмотрах использовались очки с разноцветными линзами. Здесь использовался принцип разделения изображения для левого и правого глаза. Очки еще были с красной и зеленой линзой.

Большим успехом в объемном кино стало использование поляризационных  очков. Эта технология называлась IMAX 3D. Тогда использовалось два проектора и на экране получалось два изображения одно с горизонтальной поляризацией, а другое с вертикальной поляризацией. У специальных очков левое и правое стекло пропускало только изображение со своей поляризацией и получалось объемное изображение. При таком методе можно было получить качественное и яркое изображение. Недостаток был в том, что при наклоне головы менялась яркость картинки и качество.

Более новой технологией  объемного кино стало RealD. По этой технологии применялся один цифровой проектор, который проецировал кадры для левого и правого глаза поочередно на высокой частоте. Что бы качество картинки не зависело от наклона головы, использовалась круговая поляризация. Для одного кадра применялась поляризация по часовой стрелке, а для другого против часовой стрелки. При таком методе трехмерное изображение получалось более качественное и естественное. Только в силу технологических особенностей такая технология может применяться только в небольших залах с сохранением качества.

При всех этих методах в  кинотеатрах применяют специальные  посеребренные ткани для экранов  и сложное оборудование для проекторов. Такие технологии не рационально  использовать в домашних условиях, а тем более в телевизионной  технике. Применение в телевизорах  поляризации невозможно на всей площади  экрана.

3D в телевизорах Full HD. В ранее применяемых моделях объемного видео (кинескопные телевизоры, проекторы) применялся принцип деления разрешения изображения на два. И один кадр стереоизображения выводился на четных строках, а другой кадр на нечетных строках. При таком методе деления изображения разрешение кинескопного телевизора по вертикали снижалось до 300 строк. А в случае применения Full HD снижение будет до 540 строк при родном разрешении в 1080 точек по вертикали. Выводилось изображение для каждого глаза отдельно, и в один момент времени один глаз видел свой полукадр, а другой именно в этот момент времени ничего не видел. В следующий полукадр было наоборот, и уже другой глаз видел изображение, а первый нет.

Для обеспечения разрешения HD в 3D телевизорах, то есть 1080 точек  по вертикали, можно применять тот  же принцип, что и раньше: выводить поочередно отдельно кадры для каждого  глаза. При этом сделать так, что  бы каждый кадр видел только один глаз, а другой глаз видел уже свой, то есть следующий кадр изображения.

В обычном телевизоре по такой технологии кадры будут  идти с частотой 25 Гц, ведь кадровая частота там 50 Гц и если разделить  для каждого глаза изображение  то и получится 50:2=25 кадров в секунду. И если в кинотеатрах кинофильмы идут с частотой 24 кадра в секунду, то там мы видим отраженный свет с большого расстояния. В телевизорах  при частоте 25 Гц будет заметно  мерцание и будут болеть глаза. Если же взять режим 24р, реализуемый в  современных телевизорах для  просмотра как раз кинофильмов  с частотой 24 кадра в секунду, то там на самом деле частота кадров берется кратной 24 и составляет 72 или 96 Гц.

Получается, что Full HD 3D не сможет нормально воспроизводиться на обычных HD жк телевизорах. Для комфортного  просмотра нужна частота в 60 Гц для каждого полукадра (такое  значение вывели в результате исследований), то есть общаякадровая частота должна быть 120 Гц, а значит даже 100 герцовые телевизоры не подойдут для показа 3D. При этом каждый кадр должен выводиться с разрешением 1920х1080 точек, что соответствует Full HD.

Время отклика в 3D телевизорах. Для обеспечения четкого изображения нужно, что бы каждый пиксель на экране менял свое положение 120 раз в секунду, при этом каждый раз он будет выводить изображение другого полукадра. И если в 2D для получения хорошей четкости это не так критично, то в 3D нельзя допустить, что бы кадры перекрывались, значит нужно очень маленькое время отклика пикселя. По этому параметру лучшими для объемного телевидения являются плазменные панели, ведь в них время отклика пикселей меньше чем в жк матрицах. Но в плазменных панелях другой недостаток – это спад свечения пикселя и производители применяют дополнительные методы для уменьшения этого свечения.

Для lcd панелей время отклика  должно быть меньше 3 мили секунд, а этого значения достигают не все матрицы. Поэтому при просмотре 3D на жк телевизорах может возникать эффект строба и срывы особенно на быстрых сценах. При просмотре сигнала объемного телевидения на проекционных телевизорах может возникать эффект радуги. Поэтому, по отзывам посетителей выставок, наилучший результат при показе контента объемного телевидения получается у плазменных панелей.

Но учитывая развитие рынка  жк телевизоров и интерес фирм производителей можно ожидать, что  в скором времени они преодолеют недостатки во времени отклика матриц.

Передача  контента к 3D телевизорам. Еще одна сложность возникает с доставкой Full HD 3D контента от источника к телевизору. Во первых должно происходить считывание с диска по двух канальной системе, а затем еще и передать такой сигнал. А для передачи уже потребуется HDMI 1.4, ведь распространенный сегодня интерфейс HDMI 1.3 может и не справиться с передачей 120 кадров в секунду в качестве Full HD.

Очки  для 3D телевизоров. А для приема 3D изображения применяются все те же очки. Правда они теперь активные, то есть они с помощью встроенного чипа управляют затенением нужной линзы. Раньше применялись пассивные очки с поляризационными фильтрами. Для управления активными очками применяется беспроводная схема синхронизации с изображением на экране телевизора, реализованная с помощью инфракрасного излучения.

В системах технологии объемного телевидения без очков лежит принцип разделения изображения для каждого глаза с помочью микролинз на экране. Здесь один кадр разделяется на изображение для каждого глаза отдельно и значит никак не получается высокое разрешение Full HD.

На сегодня получение Full HD объемных телевизионных систем связано только с использованием очков.

Конечно, с развитием телепередач  в системах объемного телевидения  и выпуском все новых фильмов развитие 3D телевизоров только будет набирать скорость

 

3. Как работает 3D Full HD телевидение

Начало нынешнего 2010-го года отличилось революционными событиями  в области технологии производства трехмерных Full HD телевизоров и средств воспроизведения 3D медиаконтента. В блогах постоянно идет обсуждение 3D технологии, а количество посетителей "трехмерных" стендов на прошедших недавно выставках зашкаливало. Плюс ко всему, вышедший на экраны самый дорогой в истории кинематографа 3D фильм "Аватар" способствовал подъему интереса на рынке домашних кинотеатров и 3D телевидения. По всему миру прокатилась первая волна трехмерного телевидения, активно началось освоение и производство Full HD 3D телевизоров в серийных масштабах. Давайте попробуем понять основные принципы работы 3D телевидения.

Первые попытки реализовать  что-то подобное были предприняты мировым  сообществом еще несколько десятилетий  назад. Так, например, в Москве, на Арбате в кинотеатре "Октябрь" существовал  зал стереокино и при входе  посетителям выдавались очки, у которых  левая линза была красной, а правая голубой. Эти линзы создавали  простейший светофильтр, который позволял разделить картинки для левого и  правого глаза, благодаря чему можно  было любоваться объемным кинофильмом. Такой метод получения стереопары изображения носит название – анаглиф. Реализовать разделение изображений оказалось просто, но, увы, качество цветопередачи оставляло желать лучшего.

Революционным событием в  области объемного кино стало  применение технологии IMAX 3D, разработанной канадской компанией IMAX Corporation. Эта технология использует два мощных пленочных проектора, которые проецируют на большой экран изображение для правого и левого глаза.

В IMAX используется 2 проектора, каждый из которых создает изображение  для левого и правого глаза, поляризованное в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Надев стереоскопические  очки, у которых на стеклах стоят  светофильтры, пропускающие только свой строго поляризованный свет, человек  воспринимает один и тот же объект под разными углами и видит  объемное изображение. Технология IMAX 3D дает нам возможность просмотра 3D изображений на очень большом  экране, но применение линейной поляризации  приводит к тому, что если наклонить  голову немного в сторону изображение  начнет двоиться, терять яркость и  стереоскопический эффект может  исчезнуть.

RealD - еще одна 3D кинотехнология, которая использует цифровое стереоскопическое проецирование, появилась в конце 2007 года. В отличии от IMAX 3D здесь используется один цифровой проектор, который с высокой частотой попеременно проецирует кадры для каждого глаза. В технологии RealD применяют круговую поляризацию кадров правой и левой поляризации. Здесь применяются очки с противоположной круговой поляризацией на правом и левом стекле, благодаря этому каждый глаз видит свою собственную картинку вне зависимости наклона головы зрителя. Проектор обеспечивает высокую скорость передачи кадра — 72 кадра в секунду для каждого глаза, это позволяет уменьшить мерцание по сравнению с обычным видео, где изображение передается со скоростью 25 кадров в секунду. Таким образом, достигается стабильное и устойчивое 3D изображение. Технология RealD более естественно передает цвета трехмерного изображения. Единственным недостатком RealD является потеря яркости в силу использования одного цифрового проектора и более сложного поляризатора, поэтому RealD можно использовать только в небольших кинозалах.

Все эти технологии для  больших экранов и помещений, а что может нам предложить индустрия для домашнего использования? В принципе и дома можно реализовать  на безе проекторов такие решения, но это будет слишком дорого и  нерационально! Что же делать, если использование поляризации света  при проецировании 3D изображения  на домашнем кинотеатре занятие очень  затратное, либо вообще невозможное? А  что если поочередно проецировать кадры  для каждого глаза и попробовать  синхронизировать кадры таким образом, что бы в нужные моменты времени  каждый глаз видел предназначенный  для него кадр, а другой в это  время ничего бы не видел и так  по циклу.

Придумать можно что угодно, но вот технически реализовать бывает сложно. Раньше принимались попытки  воспроизведения на телевизорах  трехмерного видео. Делалось это  путем деления разрешения изображения  пополам и чересстрочного вывода кадров стереопары на экран. В результате один кадр использовал четные строки, другой – нечетные. Но из-за этого  разрешение изображения по вертикали  снижалось в два раза. Поэтому  даже аппаратуре класса Full HD (1080p) удавалось  воспроизвести по вертикали всего 540 пикселей. Встала задача обеспечения вывода полноценного 3D HD изображения с разрешением в 1080 точек по вертикали.

Как уже отмечалось выше, достаточно организовать поочередный  вывод кадров для левого и правого  глаза и синхронизировать их. Если на обычном Full HD телевизоре воспроизвести  такой режим, то полный стереоскопический  кадр будет выводиться с частотой 25 раз в секунду. Этого должно быть достаточно, ведь в том же кинотеатре фильм идет с частотой 24 кадра  в секунду и все остаются довольными. Но в случае с телевизором мы имеем  дело с излучаемым светом, а не с  отраженным с большого расстояния от экрана. Из-за волновых свойств света  возникает ощущение мерцания и стробоскопический  эффект, вредный для глаз. Смотреть изображение становится для глаза  напряженным занятием и не безопасным для здоровья. В хороших телевизорах  режим 24 кадра для кино поддерживается путем эмуляция «киношной» частоты  за счет удвоения, утроения (и т.д.) этой частоты, и вывод картинки идет с  частотой не меньше 48 Гц, чаще всего 72 Гц или 96 Гц.

Но проведенные замеры и эксперименты выявили, что Full HD 3D видео невозможно смотреть на обычном Full HD телевизоре. Даже при 100 герцовом режиме будет всего лишь удвоение одного и того же кадра. Минимальная частота воспроизведения стереопары должна быть 60 раз в секунду для каждого кадра, или всего 120 кадров в секунду, тогда не будет возникать неприятный мерцающий эффект. Для этого проектор или телевизор должен обеспечивать воспроизведение 120 кадров в секунду, и каждый из них должен иметь разрешение 1920х1080 точек. Получается, что экран телевизора должен обладать очень впечатляющими параметрами отклика одного пикселя, что бы телевизор мог обеспечить частоту изображения 120 Гц, и это притом, что все кадры разные и в переходах между ними должны быть четкие границы, иначе объекты начнут размываться.

Для воспроизведения 3D Full HD изображения лучше всего приспособлены  плазменные панели, здесь время отклика  ячейки минимально, но зато довольно затянут спад свечения ячейки. Но доведя время гашения плазменной ячейки до минимальных значений можно получить изумительный результат, что и сделала компания Panasonic, реализовав это в своих плазменных панелях механизмом NeoPDP.

Если обратить внимание на ЖК-панели, то время отклика пикселя  должно быть не более 3 мс, а таким  параметрам пока могут похвастать лишь единицы ЖК-панелей. По впечатлениям с недавно прошедшей выставки, хотелось бы отметить, что Full HD 3D видео  отображается на плазменных панелях  намного лучше, чем на ЖК-телевизорах, на которых в моменты динамичных сцен наблюдается срыв изображения  и мерцание. В случае с 3D DLP проектором можно было заметить эффект радуги, обусловленный вращением колеса цветовых светофильтров. Так что, есть еще над чем поработать производителям матриц и проекторов.

Возникает еще одна проблема - обычный интерфейс HDMI версии 1.3 неспособен справиться с большой скоростью  передачи информации. Ведь приходится передавать несжатое видео с большой  скоростью - 120 HD кадров в секунду  от источника воспроизведения к  телевизору. Поэтому производители Full HD 3D телевизоров перешли на использование  следующей ревизии: HDMI 1.4. Поэтому понадобятся еще и новые кабели, поддерживающие ревизию 1.4.

Для просмотра на экране телевизора 3D изображения используются специальные очки. Только они уже  оборудованы микрочипом, который  обеспечивает поочередное затемнение фильтров, встроенных в стекла, в  соответствии с программой синхронизации. Технологически принцип затемнения светофильтров в очках схож с  принципом затемнения пикселя в  ЖК-панели. В телевизор встроен  блок беспроводной системы синхронизации, который задает последовательность в какой момент времени нужно  затемнять правое и левое стекло очков. Система работает на инфракрасных датчиках. Сами очки внешне очень похожи на те, которые мы видим в кинотеатрах.

Так что началась новая  эра развития Full HD 3D телевидения, которое  должно быть подкреплено организацией 3D телевизионных трансляции и выпуском большого ассортимента 3D видеофильмов. В частности со спутника HotBird в тестовом режиме уже сейчас доступно вещание первого Европейского демонстрационного 3D канала.

 

4. Спутниковое 3D телевидиние. Технологии и перспективы.

 

Появление на экранах кинотеатров  фильмов в 3D-формате закономерно  вызвало интерес к технологии у широкого круга пользователей. В настоящее время миллионы фанатов 3D во всем мире задаются вопросом:  «когда же  можно будет насладиться эффектом погружения, предоставляемым объемной картинкой, не выходя из дома, на экране собственного телевизора?»

Необходимо отметить, что  производители оборудования и провайдеры телевизионных каналов готовы идти навстречу новой технологии. Подтверждением тому может служить и специализированная выставка CES 2010, и первые трансляции 3D-передач британской компанией SKY, произведенные в марте текущего года и заявления американских и  российских компаний о готовности начать телевизионное 3D-вещание. Вопрос только в том, насколько просто и дешево это стоит.

Технологии. В кинотеатрах 3D технология появилась еще в 70-х годах прошлого века. Основана она была на стереоскопическом эффекте, получаемом от применения для левого и правого глаза различных светофильтров (анаглиф-технология). Кстати, желающие получить подобную картинку могут собственноручно изготовить соответствующие очки (с красным и синим светофильтрами).

Современная 3D-технология несколько  отличается от анаглифа. Хотя принцип  формирования объемного изображения  остался неизменным – для правого  и левого глаза показывается различные картинки, смена которых происходит с частотой, которую человеческий глаз воспринимать не может (скорость смены – менее 20 мс). Формирование такой картинки может осуществляться двумя путями.

Пассивная или поляризационная стереография. При таком способе эффект достигается за счет передачи для левого и правого глаза картинки в различных направлениях поляризации. Очки избирательно проецируют изображение на каждый глаз зрителя. Такой способ применяется в кинотеатрах. Его недостаток в необходимости значительного увеличения яркости картинки (до 70% света поглощается поляризационными фильтрами)

Стереография  с активным затвором. Именно такой способ предлагают современные производители 3D телевизоров. Активные очки попеременно закрывают затвором левый и правый глаз зрителя, на экран в каждый момент времени выводится картинка для открытого глаза. Явно становится видна необходимость синхронизации индивидуального устройства(очков) с источником изображения. Соответственно и стоимость такого устройства будет достаточно высока. Так что, посмотреть 3D-передачу всей семьей – удовольствие не из дешевых.

Автостереография. Объемная картинка формируется непосредственно перед экраном телевизора за счет применения оптико-механических дифракционных и рефракционных решеток. Технология известная (вспомните значки с объемными изображениями), но для широкого круга пользователей пока не доступная. По оценкам экспертов, подобные устройства появятся в продаже для потребителей не ранее 2015 года.

Перспективы. Таким образом, для желающих посмотреть телевизионную передачу в 3D-формате доступен пока единственный путь. Это приобретение 3D HDTV-телевизора (например, компаний Phillips или Samsung (последняя компания, кстати, весьма активно предлагает соответствующее оборудование на российском рынке и даже производит его на территории России) и комплекта активных очков для всех членов семьи. По оценкам, стоимость такого набора лежит в пределах 3-4 тысяч совершенно условных единиц.

Что же касается телевизионных 3D-каналов, то никаких препятствий  для начала такого вещания уже  сейчас просто нет. Производительность оборудования для спутникового телевидения, позволяющего передавать видео-поток  в формате HD, вполне достаточна для  того, чтобы осуществлять передачу изображения для 3D-приемников.

Так что, первая волна 3D-бума может ожидать нас уже в  текущем году. Тем более, что производители  медиа-контента (фильмов, компьютерных игр и др.) четко сориентированы на расширение рынка этих продуктов.

 

5. Выводы.

Что же ждет нас в будущем 3D-телевидения, пусть и не очень далеком? Естественно, корнями своими будущее прорастает в настоящее. Так что возможно, первые ростки уже показались.

Пожалуй, ближе всех к  настоящему «честному» трехмерному телевидению на сегодняшний день приблизилась компания Holografika, разработавшая технологию Holovizio, которую можно охарактеризовать как упрощенную модель голографии.

Главная проблема голографии состоит в том, что голограмма чрезвычайно избыточна, содержит очень  много ненужной информации, а это  в свою очередь вызывает большие  сложности в ее применении.

Инженеры Holografika задались вопросом - что нам нужно от голограммы? И оказалось, что нужно ни много  ни мало, а воспроизведение полного  спектрального и пространственного  поля, исходящего от изображаемого  объекта. Когда работает обычный  плоский экран, светятся пикселы  на его поверхности, соответственно мы четко видим пространственную проекцию картины на плоский экран, то есть классическую 2D телевизионную  картинку. Если бы вместо плоского экрана мы взяли реальные объекты или  их голографические изображения  и расположили их позади простого стеклянного экрана, световое поле проходящее сквозь стекло имело бы иной вид - световые пучки разных цветов распространялись бы не как от точечных источников, они бы имели не только различную яркость, но и пространственную ориентацию.

Именно это распределение  интенсивности и направленности источников света по поверхности  экрана и попытались воспроизвести  разработчики Holografika. Результатом их работы стали дисплеи с экраном Holovizio, поверхность которых образуется не пикселами, а вокселами (минимальный  объемный элемент трехмерного компьютерного  изображения) - компактными управляемыми источниками света. Для каждого воксела можно задать цвет, интенсивность и направление свечения.

Неудивительно, что результат новой технологии - самое реалистичное и захватывающе 3D-изображение, которое только способна создать современная инженерная мысль. Столь же предсказуем и эффект новой продукции - цены дисплеев Holovizio «немного» дороги, например топовая модель HoloVizio 720RC стоит в России более 15 миллионов рублей!

Хотя, если вспомнить, первые компьютеры и мобильные телефоны тоже стоили недешево.