KVU / UF3D
3D fotografie a alternativní techniky ve fotografii

Stereoskopické displeje

Doposud jsme příliš nepřemýšleli, jak stereoskopický pár vlastně zobrazit, respektive používali jsme anaglyfické (např. červeno-azurové) zobrazení. To samozřejmě není jediné. Podívejme se proto na různé metody zobrazení stereoskopického snímku a na jejich výhody a nevýhody. Na závěr si zavedeme systematické dělení metod.

Stereoskop

Mezi průkopníky stereoskopie bezpochyby patří Charles Wheatstone; v roce 1838 ukázal, že člověk vnímá prostor mimo jiné díky různým vjemům obou očí. K důkazu použil stereoskop, zařízení, které levému a pravému oku zprostředkovává jiné obrázky. Aby mohly být obrázky dostatečně velké a dostatečně daleko od očí, využil zrcátek. Za zmínku jistě stojí, že v roce 1838 neměl k dispozici fotografii, čili snímky pro levé a pravé oko musely být pečlivě nakresleny.

Původní Wheatstoneův stereoskop

Výhody stereoskopu vyniknou v porovnání s dalšími metodami: obrázky mohou být plnobarevné, levé oko vidí výhradně levý snímek a naopak, oba snímky jsou vidět naráz. Nevýhodou je samozřejmě potřeba rozměrného zařízení a nepohodlí při sledování. Rozměrnost zařízení vynikne, chceme-li potlačit konflikt akomodace a vergence, tj. co nejvíc vzdálit obraz od pozorovatele: snímky pak musí být značně velké.

Velikost stereoskopu odstranil jednoduchým trikem David Brewster kolem roku 1849: pozorováním poměrně malých obrázků přes čočky. Stačí si uvědomit, že spojná čočka umístěná v ohniskové vzdálenosti od obrázku zdánlivě posouvá obrázek nekonečně daleko a současně jej nekonečněkrát zvětšuje. K pozorování nám tedy stačí poměrně malé obrázky a velmi kompaktní zařízení. S nástupem fotografie a zejména diapozitivů se tento stereoskop těšil velké oblibě.

Původní Brewsterův stereoskop

Kotouček se stereoskopickými diapozitivy

Oba typy stereoskopů bohužel trpí společnou nevýhodou: jsou určeny výhradně pro jednoho diváka.

Neměli bychom ale nabýt dojmu, že stereoskop je výhradně historickou kuriozitou. Helmy pro virtuální či pozměněnou (augmented) realitu nejsou ničím jiným než Brewsterovým stereoskopem, kde jsou místo statických snímků použity malé LCD panely.

Helma CyberMind pro aplikace virtuální/pozměněné reality

Anaglyfické zobrazení

Jedno z prvních řešení, které umožňuje sledování stereoskopického obrazu několika diváky, využívá barevného rozdílu mezi levým a pravým snímkem. Divák pak musí mít pomůcku (speciální brýle), která každému oku umožní vidět jen správný snímek. Teoretický základ anaglyfického zobrazení je prostý.

Před výkladem principu anaglyfického zobrazení si připomeňme základní poznatky z teorie barev. Víme, že světlo je tvořeno elektromagnetickým vlněním různých vlnových délek. Nejdelší vlnová délka, na kterou dokážeme očima reagovat, je dlouhá cca 700 nm a oči ji vnímají jako červenou. Nejkratší je dlouhá cca 400 nm a oči ji vnímají jako modrofialovou. Dopadá-li na oko světlo jediné vlnové délky, vnímáme jej jako barevné, přičemž barvu vnímáme jako čistou. Směs světel několika vlnových délek vnímáme méně sytou. Za jistých okolností pak směs nedokážeme pojmenovat žádným názvem barevného odstínu; pak hovoříme o neutrálním (achromatickém) světlu.

Barevný odstín bez informace o jasu se dá vyjádřit v barvovém systému CIExy. Odstíny monochromatických světel (s jedinou vlnovou délkou) jsou vyznačeny křivým obvodovým obloukem ("podkova"), některé body na něm jsou označeny odpovídající vlnovou délkou. Odstíny uvnitř podkovy jsou tvořeny směsí několika monochromatických světel. Konkrétně, směsí libovolných dvou odstínů vzniká odstín, který leží někde na spojnici výchozích odstínů; přesná poloha záleží na poměru míchání, např. při poměru 1:1 je to střed spojnice.

Při středu podkovy jsou vyznačeny odstíny, které za jistých okolností můžeme vnímat jako neutrální; jsou značeny tzv. barevnou teplotou od 2000 K (stupňů Kelvina; odpovídá světlu plamene) do 10000 K (odpovídá dennímu světlu při zatažené obloze).

Graf převzat od G. Hoffmanna

Dále víme, že existují barevné filtry: fólie, které propustí světlo některých vlnových délek, zatímco jiné nepropustí. Například "červená fólie" propustí světlo vlnových délek např. 600 nm a výše, "zelená fólie" světlo mezi 500 nm a 560 nm atd. Pokud tedy snímek pro levé oko zobrazíme např. červenou barvou, snímek pro pravé oko např. modrou barvou a oči vybavíme příslušnými filtry, uvidí každé oko výhradně svůj snímek.

Je zřejmé, že ve volbě barev máme značnou volnost - pouze musíme zajistit, aby vlnové délky viditelné jedním okem nebyly viditelné druhým okem. Pro nejběžnější typy displejů ale přeci jen jisté omezení existuje.

Naprostá většina všech displejů (televizory, počítačové displeje atd.) skládá výslednou barvu ze tří složek: R/červené, G/zelené a B/modré. (Na CIExy grafu je vidět, proč tomu tak je: směs tří odstínů leží uvnitř jimi vytyčeného trojúhelníku, a trojúhelník s vrcholy v červené, zelené a modré oblasti pokrývá největší část viditelných odstínů.) V praxi se tedy nemusíme zabývat konkrétním zastoupením vlnových délek, ale pouze tím, zda filtr propustí danou barevnou složku.

Propustí pouze"barva filtru"
Rčervená
Gzelená
Bmodrá
RGžlutá
RBpurpurová
GBazurová

Princip skládání červeného, zeleného a modrého světla platí i v tisku; s mírnou technickou obměnou. Tisková barva, na rozdíl od displeje, může barvu (resp. vlnovou délku) pouze pohlcovat. Chceme-li tedy řídit množství červené barvy, které se odráží od bílého papíru, musíme jej potřít částečně průhledným pigmentem, který dobře propouští zelenou a modrou, ale redukuje množství propuštěného červeného světla. Takovým pigmentem je azurový (cyan). Množstvím azurového pigmentu (např. podle tloušťky vrstvy) se pak říká, kolik červené (resp. vlnových délek kolem 600 nm a delších) se od papíru odrazilo. Podobně množství odraženého zeleného světla řídíme purpurovým (magenta) pigmentem, množství odraženého modrého světla žlutým (yellow) pigmentem. Barevný systém nyní sice nazýváme podle barev pigmentů CMY (resp. v praxi CMYK = CMY + černá), ale pořád jde o míchání červeného, zeleného a modrého světla.

V praxi se ujalo několik voleb pro filtry anaglyfických brýlí:

Polarizační princip

Anaglyfické zobrazení oddělovalo levý a pravý snímek odlišnými barvami (resp. vlnovými délkami). Kromě intenzity a vlnové délky má světlo ještě jeden důležitý parametr - polarizaci - který můžeme k oddělení snímků použít.

K vysvětlení polarizace využijeme analogii s vodní hladinou. Představme si korkový špunt na zvlněné vodní hladině. Špunt se pohybuje nahoru-dolů, ale jinak zůstává víceméně na místě. Představme si dále, že vodní hladinu nevidíme - vidíme tedy jen špunt pohybující se nahoru-dolů a víme, že existuje něco, co ho k pohybu nutí. A konečně si představme že odstraníme i špunt. Co nám zbylo? Jen vědomost, že existuje něco, co by vhozený špunt nutilo k pohybu nahoru-dolů. Analogii dokončíme představou: co by se stalo, kdybychom vhodili spoustu špuntů? Kdyby vodní hladina (kterou nevidíme, jen její existenci tušíme) byla klidná, špunty by se nehýbaly. Kdyby hladina šplouchala náhodně sem tam, pozorovali bychom celkem chaotický pohyb špuntů. Pokud by ovšem někdo vhodil do klidné vody kámen, začaly by se špunty pohybovat organizovaně: pozorovali bychom, jak se pohybují nahoru-dolů, ale jejich celkový pohyb by připomínal posun směrem od místa dopadu kamene. Jevu, kdy ono "něco" nutí dělat špunty takové věci, říkáme vlnění.

Pohyb "špuntů" na (neviditelné) vodní hladině. Kliknutím se animace spustí/zastaví.

Se světlem se to má podobně, jen místo plochy vodní hladiny (kterou "nevidíme") máme nyní celý 3D prostor. I v tomto případě je v každém místě prostoru jakési "puzení", které by vhozeným špuntem (v případě světla by "špuntem" mohl být třeba elektron) pohybovalo. V případě 3D prostoru by pohyb mohl být nahoru-dolů, vlevo-vpravo či dopředu-dozadu; nebo libovolná kombinace, tedy jakýkoliv směr.

Za normálních okolností se tato 3D "vodní hladina" prakticky nehýbe. Až "vhozením kamene" se začne dít něco zajímavého. Podobně jako u mnoha špuntů na vodní hladině, i zde by ono "puzení k pohybu" připomínalo vlnění - dejme tomu, že vlnění směrem k nám. Ono "vhození kamene" není nic jiného, než zapnutí zdroje světla.

Za jistých okolností má "puzení k pohybu" (říkáme mu elektromagnetické pole) zvláštní charakteristiku - veškeré "puzení" se týká jediného směru, například vlevo-vpravo. Vlnění s touto charakteristikou říkáme "polarizované světlo". Je zřejmé, že světlo šířící se k nám může mít polarizace různé, například vlevo-vpravo, nahoru-dolů nebo všelijak šikmo. Naše oči nejsou na směr polarizace citlivé, vidíme stejně dobře světlo různých polarizací. Některé materiály však na směr polarizace reagují. Například polarizační filtry jsou z materiálu, který velmi dobře propouští světlo jedné polarizace (např. vlevo-vpravo), velmi špatně světlo polarizace kolmé (tedy nahoru-dolů), světlo se směrem polarizace šikmým propustí částečně.

Nyní se konečně dostáváme zpět ke stereoskopii. Pokud si nasadíme brýle s polarizačními filtry, pro jedno oko se směrem polarizace např. svislým a pro druhé vodorovným, uvidí jedno oko světlo polarizované svisle, zatímco druhé ne.

Nejjednodušší je použití polarizačního principu při projekci obrazu. Můžeme celkem snadno vzít dva projektory a zařídit, aby se jejich obrazy perfektně překrývaly. Jeden projektor opatříme polarizačním filtrem svislým a promítáme jím např. levý obraz, druhý vodorovným a promítáme jím pravý obraz. Pokud projekční plocha nezmění polarizaci odraženého světla, uvidí divák s polarizačními brýlemi vynikající stereoskopický obraz. (Technická poznámka: v praxi se nepoužívají směry polarizace svisle a vodorovně, ale ±45 °, na podstatě věci to ale nic nemění.)

Polarizační princip má různé výhody. Především mohou být oba obrazy plnobarevné a oba vidíme stejně kvalitně. Dále jsou polarizační filtry celkem levné, brýle stojí řádově desetikoruny nebo méně. O něco horší je cena polarizačních filtrů pro projektory, kde se vyžaduje jednak dobrá optická kvalita, jednak odolnost vůči teplu z projektorů; proti ceně projektorů je ale cena filtrů celkem zanedbatelná.

Polarizační princip má i své nevýhody. Především potřebujeme projekční plochu, která nemění směr polarizace odraženého světla. Obyčejná bílá zeď směr polarizace mění, a to v každém místě náhodně - je-li polarizace náhodná, mluvíme o nepolarizovaném světle. Projekční plocha nastříkaná stříbřenkou směr polarizace zachovává docela dobře; v praxi se ale používají ještě jiné materiály. Nejsou sice příliš drahé, ale zkrátka projekční sál musí být na polarizační princip připraven. Za druhé je celkem problém, pokud divák pootočí hlavou nebo si dokonce lehne. Pak samozřejmě směry filtrů v brýlích neodpovídají polarizacím obrazů a obě oči vidí částečně i nesprávný obraz; při natočení hlavy o 90 ° se dokonce smysl levého a pravého snímku prohodí.

Problém s natočením filtru řeší tzv. kruhová polarizace. Říkali jsme si, že v nepolarizovaném světlu je směr polarizace náhodný, a to obecně jak v různých časech, tak v různých místech prostoru. Naopak u polarizovaného světla jsme požadovali směr polarizace všude a vždy stejný; takové polarizaci budeme říkat lineární. Existuje ale i další typ polarizace - kruhová. Světlo je kruhově polarizované tehdy, mění-li se směr polarizace průběžně a konzistentním způsobem. Hovoříme pak o kruhové polarizaci ve směru a proti směru hodinových ručiček - směr polarizace se zkrátka průběžně točí jedním směrem.

Existují optické prvky (tzv. čtvrtvlnné destičky), které umí změnit světlo lineárně polarizované na kruhově polarizované či naopak. Pokud tedy na projektor nasadíme dvojici "lineární polarizační filtr" + "čtvrtvlnná destička", světlo z projektoru (nepolarizované) se napřed lineárně polarizuje a pak změní na kruhově polarizované; podle nasazení čtvrtvlnné destičky buď po směru, nebo proti směru hodinových ručiček.

Pokud brýle sestavíme opačným způsobem, tj. "čtvrtvlnná destička" + "lineární polarizační filtr", dopadne kruhově polarizované světlo napřed na čtvrtvlnnou destičku, která jej změní na světlo lineárně polarizované. Podle typu příchozí kruhové polarizace bude propuštěné světlo lineárně polarizované buď jedním, nebo druhým směrem. Obyčejný lineární polarizační filtr za čtvrtvlnnou destičku pak jeden směr polarizace odfiltruje.

Výsledkem je, že levé a pravé oko vidí obrazy promítané jedním a druhým typem kruhové polarizace. Jelikož pootočením hlavy se smysl kruhové polarizace nemění - jde pořád o směr proti hodinovým ručičkám nebo naopak - bude levé a pravé oko stále vidět svůj snímek.

Nic není ovšem zadarmo - kruhové polarizační filtry (neboli kombinace lineárního polarizačního filtru a čtvrtvlnné destičky) jsou o něco dražší a choulostivější než lineární.

Střídavé zobrazení

Poslední základní variantou oddělení snímků pro pravé a levé oko je jejich střídavé promítání. Pokud budeme v rychlém sledu zobrazovat snímky levý-pravý-levý-pravý atd. a současně budeme ve stejném smyslu zakrývat opačné oko, uvidí vždy levé oko jen levý, pravé oko jen pravý snímek. Jelikož má lidský zrak jistou setrvačnost, tj. krátký záblesk vnímáme podstatně déle než po dobu jeho trvání, budeme při rychlém střídání snímků oběma očima vnímat klidný, neblikající obraz.

Střídavé zobrazení má, jako obvykle, své výhody a nevýhody.

Velkou nevýhodou je pochopitelně nutnost aktivního displeje - snímky se musí v čase střídat. Střídání přitom musí být dostatečně rychlé. Pokud se díváme na obraz blikající cca 50× za vteřinu nebo rychleji, budeme jej vnímat jako plynulý; pomalejší blikání působí rušivě. V našem případě potřebujeme cca 50× za vteřinu zobrazit levý snímek, 50× pravý snímek; celkem se tedy musí snímky vystřídat alespoň 100× za vteřinu.

Druhá, vážnější nevýhoda, je nutnost aktivních zatmívacích brýlí pro každého diváka. Brýle musí především zatmívat oči dostatečně rychle a dostatečně kvalitně - zakryté oko by nemělo vidět nic ze snímku, který vidět nemá. Dále musí brýle zatmívat oči stejnou rychlostí a ve stejném smyslu jako displej střídá snímky. To vyžaduje synchronizaci - jednak nelze spoléhat na to, že údaj "100× za vteřinu" bude dokonale přesný jak v displeji, tak v brýlích, jednak je třeba zařídit, aby levé oko vidělo právě levé snímky a naopak. Brýle tedy musí mít napájení, nejčastěji baterii, a musí přijímat kvalitní signál pro synchronizaci. Obojí, zejména v kině, se může pokazit. Navíc jsou zatmívací brýle výrazně dražší než anaglyfické nebo polarizační, stojí typicky několik stokorun nebo více (tj. jsou cca 10× dražší).

Zatmívání očí je obvykle řešeno stejným principem, jakým fungují LCD obrazovky. Ty vlastně nepřetržitě svítí (tzv. podsvícení) a každý pixel dokáže světlo z podsvícení buď propustit, nebo částečně blokovat. Filtr pro jedno oko je tedy v podstatě "jeden velký pixel" LCD obrazovky. Z praxe víme, že LCD obrazovky neumí příliš dobře zobrazit černou - nějaké světlo z podsvícení je vždy propuštěno. Stejně tak aktivní brýle nikdy nezakryjí oko dokolale, vždy část světla pronikne skrz. Navíc je zde další problém - jak LCD obrazovky, tak LCD zatmívací brýle, fungují díky manipulaci s polarizací světla. Proto nemůžeme každé zatmívací brýle použít s každou LCD obrazovkou - jejich manipulace s polarizací světla nesmí jít "proti sobě".

Synchronizace zatmívání je řešena buď rádiově (např. pomocí rozhraní Bluetooth), infračerveným světlem, nebo vedením synchronizace po drátu. Vedení po drátu je dobré proto, že je nejodolnější vůči rušení, ale - musíte mít brýle kabelem propojené s displejem. Pro kancelářské použití je to použitelné, pro kina ne. Infračervené propojení zase vyžaduje přímou viditelnost mezi brýlemi a zdrojem synchronizačního signálu - kolikrát stačí pootočit hlavou a spojení se přeruší. Rádiové spojení sice přímou viditelnost nevyžaduje, ale v místnosti můžete mít těžko několik 3D pracovišť vedle sebe, navzájem by se rušily.

Zatmívací princip má ale i své výhody. Především u projekce nevyžaduje speciální projekční plochu jako u polarizačního princpu, promítat lze i na zeď. U obrazovek šlo dlouhou dobu o jediný postup, jak zobrazovat plnobarevné obrazy. Prokládání snímků levý-pravý-levý-pravý-... je navíc celkem kompatibilní s libovolnou metodou přenosu obrazu, např. s televizním vysíláním.

Infitec

Vraťme se ještě na chvíli k anaglyfickým brýlím. Ty mají v podstatě jedinou nevýhodu, nemožnost dokonalé reprodukce barevného obrazu. Přednosti proti zatmívacím nebo polarizačním brýlím jsou ale značné.

Nevýhodu spojenou s barevnou reprodukcí řeší princip představený německou společností Infitec. Jeho podstata je prostá. Víme, že prakticky libovolný barevný odstín můžeme napodobit smícháním tří světel (například červeného, zeleného a modrého) v konkrétním poměru. Co je to ale například "červená"? Světlo vlnové délky od cca 620 nm do cca 700 nm vnímáme jako červené; kolem 620 nm má nádech do oranžova, kolem 650 nm je červená cihlovější, ale pořád světlo označíme jako "červené". Stejně tak celý interval vlnových délek přísluší zelené a modré barvě. Právě toho systém Infitec využívá.

Detaily si vysvětlíme na velkoplošné projekci. Dva projektory promítají současně levý a pravý snímek na totéž místo plátna. Levý snímek je ale vytvořen z konkrétního červeného, zeleného a modrého světla (červená 629 nm, zelená 532 nm, modrá 446 nm), zatímco pravý snímek používá mírně odlišné základní barvy (červená 615 nm, zelená 518 nm, modrá 432 nm). Divák má na očích brýle v principu podobné anaglyfickým: filtr očnic propouští jisté vlnové délky a jiné nepropouští. Levá očnice je tedy vybavena komplikovaným filtrem, který propouští výhradně úzká pásma kolem jisté červené, zelené a modré (červená 629 nm, zelená 532 nm, modrá 446 nm), pravá očnice propouší jiná pásma (červená 615 nm, zelená 518 nm, modrá 432 nm). Obě oči tedy vidí pěkný plnobarevný obraz.

Velká výhoda systému Infitec je v dobré kompatibilitě s vybavením kinosálů (není třeba speciální projekční plocha) a v pasivitě brýlí (žádné baterie a synchronizace). Brýle jsou sice poměrně drahé, cca několik stokorun za kus, ale údržba je levná.

Dílčí nevýhodou je nutnost úpravy projektorů - musíme je vybavit správnými filtry. Nějaká úprava je ale nezbytná vždy, až na obyčejné anaglyfické zobrazení; úprava pro Infitec není výrazně dražší než pro polarizační nebo zatmívací princip.

Kombinované přístupy

Poznali jsme několik základních postupů, jak levému oku poskytnout jen levý snímek a pravému oku jen pravý. Snímky bylo zapotřebí od sebe nějak oddělit: viděli jsme oddělení snímků

Postupy je samozřejmě možné kombinovat, aby se potlačily nevýhody samostatných principů. Nejčastěji se potkáme s následujícími kombinacemi:

Zpět na hlavní stránku.