KVU / UF3D
3D fotografie a alternativní techniky ve fotografii

Podstata dokonalého 3D displeje

Věnujme se nyní alternativním technikám konstrukce 3D displeje, resp. 3D kamery, které jsou založeny na úplně jiné myšlence než dosavadní.

Připomeňme si, že základem dosud diskutovaných 3D displejů byla jednoduchá myšlenka: každé oko vidí ze svého místa mírně odlišný obraz, přičemž na mozku je tyto odlišnosti vyhodnotit a získat představu o prostorovém uspořádání světa kolem nás. Dosud probrané 3D displeje tak pouze řešily, jak každému oku doručit patřičný obraz. Souběžně s tím jsme řešili, jak "patřičné obrazy" pořídit. Připomeňme si, že jsme začali jednoduchou soustavou "levá+pravá kamera" a např. barevným kódováním levého a pravého snímku s následným využitím anaglyfických brýlí. Později jsme přešli k displejům nevyžadujícím brýle (autostereoskopickým) a možností záznamu více než dvou pohledů na svět. Od základní představy "potřebujeme dva snímky, pro každé oko jiný" jsme se tak začali přesouvat k myšlence "záznamu světla" různých místech prostoru. Pokusme se myšlenku na záznam světla promyslet důkladně.

Vyjděme z jednoduchého, ale zásadního postřehu, který si vyložíme rozborem pozorování světa se dvěma body, X a Y. Dejme tomu (viz obrázek), že sledujeme scénu očima, resp. dvěma kamerami. Díky očním čočkám (resp. objektivům) vznikají na sítnicích (resp. snímačích) obrazy bodů X a Y. Z nákresu paprsků je zřejmé, že zatímco levé oko vidí bod Y nalevo od bodu X, vidí pravé oko situaci obráceně. Slibovaný jednoduchý postřeh je následující: levé oko vidí něco jiného než pravé oko, protože paprsky přicházející do levého oka se liší od paprsků přicházejících do pravého oka.

Pozorování scény složené ze dvou svítících bodů X a Y. Oba body svítí všemi směry a některé paprsky světla vniknou čočkami do levého a pravého oka. Díky vlastnosti čočky ostřit světlo jsou například všechny paprsky z X zaostřeny na sítnici. Paprsky z Y (na obrázku je naznačen pouze středový) se sice technicky vzato na sítnici nezaostří, ale díky celkem velké hloubce ostrosti oka můžeme zjednodušeně říct, že obraz bodu Y bude na sítnici vedle obrazu bodu X.

Jinak řečeno: očím je úplně jedno, kde jsou body X a Y; je jim úplně jedno, že některé paprsky začínají v bodu X (na obrázku azurové), zatímco jiné v bodu Y. Oči reagují výhradně na směr, barvu a intenzitu světla, které vstupuje do čoček, na nic jiného nereagují. Důsledkem odlišností světla vstupujícího do levého a pravého oka jsou samozřejmě jiné obrazy vznikající na sítnicích; jestliže tedy dosud diskutované 3D kamery a 3D displeje zaznamenávaly a zobrazovaly různé obrazy (pro levé a pravé oko), zabývaly se pouze důsledkem odlišnosti světla před levým, resp. pravým okem.

Pokusme se proto nyní zaměřit na samotnou příčinu: nezaznamenávejme jakési obrazy, které by se měly teoreticky objevit na sítnicích. Zaznamenávejme samotnou strukturu světla.

Vytvořme napřed myšlenkový experiment a nezabývejme se nepříjemnou skutečností, že jej neumíme provést. Dejme tomu, že na libovolné místo mezi body X, Y a očima umístíme skleněnou desku s dokonalou "fotografickou emulzí", která bude zaznamenávat nejenom intenzitu a barvu dopadajícího světla, ale i jeho směr (připomeňme, že klasické fotografická emulze zčerná nezávisle na tom, zda světlo dopadalo zleva nebo zprava).

Na hypotetické skleněné desce zaznamenáme procházející světlo, tj. intenzitu, barvu a směr procházejících paprsků včetně těch silně vyznačených.

Zkusme nyní náš dokonalý záznam světla "vyvolat", body X, Y odstranit a před oči umístit jakýsi displej či vyvolaný obraz, který bude v každém bodu svítit přesně takovým světlem, jaké jsme na skleněné desce zaznamenali. Je celkem zřejmé, že paprsky vystupující z displeje budou stejné jako paprsky procházející skleněnou deskou při záznamu. Do očí tak bude vstupovat identické světlo a oči uvidí přesně totéž, co viděly při pohledu na původní body X a Y. Očima tedy neumíme rozlišit, sledujeme-li původní body X, Y, nebo jejich dokonalou iluzi. Podotkněme, že na rozdíl od předchozích 3D displejů je současná iluze dokonalá - jelikož do očí dopadá stejné světlo, fungují veškerá vodítka pro rozpoznání vjemu hloubky stejně jako při pozorování skutečnosti, a to včetně pohybové paralaxy, akomodace, vergence apod. Také je zřejmé, že iluze bude fungovat nejenom pro lidské oči, ale pro jakékoliv optické zařízení.

Z hypotetického displeje vycházejí stejné paprsky, které procházely skleněnou deskou (včetně silně vyznačených). Je proto zřejmé, že oči uvidí "na displeji" dokonalou iluzi původní scény.
Po umístění kurzoru na obrázek se zobrazí paprsky při pořizování záznamu na skleněnou desku.

Teoreticky tedy víme, jak dokonalou iluzi udělat. V praxi ale narážíme na dva podstatné zádrhele: za prvé nemáme fotografickou emulzi, která by dokázala zaznamenat směr dopadajícího světla, za druhé nemáme k dispozici displej, který by v každém bodu uměl v každém směru svítit požadovaným světlem.

Částečná, tj. jistým způsobem omezená řešení, jsou nejméně dvě: holografie a integrální fotografie. Protože integrální fotografie je jednodušší, začněme u ní.

Pozn.: Kromě holografie a integrální fotografie existuje spousta dalších technik, které mají větší či menší nevýhody; my se jimi pro nedostatek času nebudeme zabývat. Vážní zájemci o technologie 3D displejů a 3D záznamu mohou nahlédnout například do knih 3D Displays nebo Three-Dimensional Imaging Techniques

Integrální fotografie a plenoptická kamera

Jak jsme si vysvětlili, chtěli bychom mít světlocitlivý materiál zaznamenávající směr příchozího světla, ale běžné světlocitlivé materiály (ať už filmové, tak digitální) na směr světla nereagují. Jedno z prvních řešení problému navrhl začátkem 20. století Gabriel Lippmann, významný optik a současně objevitel nejlepšího známého principu záznamu barevné fotografie (Lippmannovou fotografií se zde ale zabývat nebudeme). Jeho myšlenka je prostá.

Obyčejný světlocitlivý materiál, například fotografický film (nebo digitální snímač) nedokáže rozlišit, z které strany světlo přichází. Pokud ovšem před světlocitlivý materiál umístíme objektiv, resp. čočku, situace se změní: rovnoběžný svazek paprsků se čočkou zaostří do ohniskové roviny. Je-li v ohniskové rovině světlocitlivý materiál, je směr příchozího světla určen pozicí zaostřeného bodu. Jak je ale z obrázku patrné, pokud se navzájem rovnoběžné paprsky světla (na obrázku například všechny červené) od sebe liší třeba intenzitou, na záznamu to nepoznáme - všechny se totiž zobrazí do jediného bodu. Jinými slovy, neumíme zaznamenat informaci o každém paprsku z rovnoběžného svazku zvlášť.

Směr dopadajících paprsků je soustavou čočka-světlocitlivý materiál zaznamenán místem záznamu světla.

Uvědomme si, že samotný světlocitlivý materiál (bez objektivu) na tom byl přesně opačně - dokázal rozlišit paprsky, které od sebe byly vzájemně posunuté (protože dopadaly na různá místa světlocitlivého materiálu), ale nedokázal rozlišit paprsky různých směrů, pokud dopadaly na totéž místo světlocitlivého materiálu. S objektivem umíme rozlišit paprsky z různých směrů, ale nedokážeme rozlišit paprsky navzájem posunuté.

V praxi ovšem můžeme předpokládat, že blízké, téměř rovnoběžné paprsky se od sebe nebudou příliš lišit ani intenzitou, ani barvou. Pokud tedy bude svazek paprsků dostatečně úzký, nemusí nám vadit, že mezi jednotlivými paprsky nedokážeme po záznamu rozlišovat. To ale znamená, že čočka - neboť ta určuje šířku svazku paprsků - musí být velmi malá. Pokud přesto chceme zaznamenávat informace o širokých svazcích paprsků, budeme muset vedle sebe položit čoček více.

S využitím mnoha drobných čoček dokážeme rozlišovat jak mezi paprsky různých směrů (podle místa dopadu na světlocitlivý materiál), tak mezi paprsky v různých částech prostoru (podle čočky, kterou prochází).
Po umístění kurzoru na obrázek se objeví původní záznam jednou čočkou.

Záznam, který jsme získali, se nazývá integrální fotografií. Jak je patrné z následujícího obrázku, dokáže integrální fotografie dobře zaznamenat strukturu světla procházejícího soustavou čoček - světlo vycházející z různých bodů v prostoru vytváří na světlocitlivém materiálu různé obrazce. Pro zjednodušení jsou na nákresu pouze paprsky procházející středy čoček, což ovšem nákresu příliš přesnosti neubírá. V praxi mají totiž jednotlivé čočky průměr maximálně jeden milimetr a scéna (na nákresu body X, Y) je od pole čoček vzdálena typicky několik desítek centimetrů či více. To znamená, že světlo vycházející z bodu vzdáleného několik decimetrů a procházející jednou milimetr velkou čočkou je složeno z víceméně rovnoběžných paprsků, které se sbíhají celkem přesně v ohniskové vzdálenosti od čočky, resp. v ohniskové rovině. Jelikož paprsek procházející středem čočky nemění svůj směr, je výsledný obraz tvořený jednou čočkou dán průsečíkem tohoto paprsku s ohniskovou rovinou.

Integrální fotografie bodů X a Y. Všimněme si, že vzájemná pozice obrazů bodů X a Y je za každou čočkou jiná.

Zdálo by se, že je vyhráno - dokázali jsme zaznamenat směry a intenzity paprsků procházející rovinou pole čoček. Nic tedy zřejmě nebrání v cestě displeji s dokonalou iluzí původní scény.

Bohužel tomu tak není. Podívejme se na důvod.

Dejme tomu, že jsme zaznamenali scénu složenou z bodů X a Y přesně tak, jak je naznačeno na předchozím obrázku. Pokud se na hotovou integrální fotografii díváme, zřejmě se směry všech paprsků otočí: paprsky začínají na vyvolaném světlocitlivém materiálu, procházejí čočkami, protínají se v bodech X, Y a pokračují dále, neboli pozorovatel vnímá paprsky, které se jakoby rozbíhají od bodů X a Y (připomeňme si, že očím je jedno, kde paprsky skutečně začínají; důležité je, že do oka vnikají stejné paprsky, které by začínaly v bodech X a Y).

Pozorování integrální fotografie. Směry všech paprsků jsou opačné než při záznamu
Po umístění kurzoru na obrázek se objeví paprsky při záznamu integrální fotografie.

Pozorováním integrální fotografie zřejmě vzniká dojem bodů X a Y na původních místech prostoru. Je zde ovšem zásadní háček - zatímco při záznamu integrální fotografie byl bod X daleko od "integrální kamery" a bod Y blízko, při pozorování hotové integrální fotografie je bod X blízko a bod Y daleko od pozorovatele. Sice tedy vidíme prostorovou iluzi, ale hloubkově převrácenou - co se z pohledu kamery jevilo jako hrbol, bude se z pohledu pozorovatele jevit jako důlek a naopak.

Existuje mnoho způsobů, jak problém tzv. pseudoskopického (hloubkově obráceného) obrazu vyřešit. My se jimi zabývat nebudeme, spokojíme se s konstatováním, že existují a že nejsou příliš komplikované. Všimneme si ale jiného detailu.

Uvědomme si, že popsaný způsob pozorování integrální fotografie se nijak zvlášť neliší od pozorování lentikulárního displeje. I u lentikulárního displeje je za každou čočkou (která má tvar části válečku) umístěn jakýsi vzor (složený ze sloupečků různých obrázků). Každý bod tohoto vzoru vytváří průchodem čočkou svazek paprsků, přičemž směr paprsků je dán pozicí bodu ve vzoru. Zatímco ale u lentikulárního displeje jsme postupovali "od konce", tj. od obrázků, které chceme očím zobrazit, u integrální fotografie jsme postupovali "od začátku", tj. s myšlenkou na záznam struktury světla. Podstata obou technologií je ale stejná. Jediným rozdílem mezi lentikulární a integrální technologií je tvar použitých čoček - zatímco u integrální technologie jde o spoustu klasických čoček rozložených v ploše, u lentikulárního displeje jde o mnoho válcových čoček vedle sebe.

Srovnání pole čoček u integrální (vlevo) a lentikulární (vpravo) technologie. Na podstatě věci nic nemění, zda jde o klasické "čočky" oddělené od podkladu vrstvou vzduchu (podobně jako je čočka objektivu vzduchem oddělena od snímače), nebo zda jde o silnou vrstvu skla či plastu nalepenou přímo na podkladu.

Integrální technologie má oproti lentikulární jednu zásadní výhodu a jednu zásadní nevýhodu. Výhoda: zatímco u lentikulární technologie se vnímaný obraz mění jen při pohledu zprava/zleva, u integrální technologie se korektně mění při pohybu hlavy vlevo/vpravo/nahoru/dolů - říkáme, že lentikulární technologie poskytuje obraz s horizontální paralaxou, zatímco integrální technologie s plnou paralaxou. A nevýhoda? Zatím nikdo neumí pole čoček pro integrální technologii dostatečně levně vyrobit. I proto integrální technologie dosud neopustila vývojové laboratoře, zatímco lentikulární technologie se úspěšně rozšířila v praxi, ačkoliv její myšlenka vznikla o několik desítek let později. Dá se však očekávat, že praktické nasazení integrální technologie není příliš vzdálené - viz první vlaštovka v podobě plenoptické kamery.

Plenoptická kamera

Integrální fotografie v podobě, jak jsme ji představili, má mimo (snadno řešitelného) problému s převrácenou hloubkou obrazu (pseudoskopickým obrazem) i jiné neduhy.

V podstatě si můžeme představit, že integrální záznam je pouze velké množství malinkých fotografií - každá je pořízena drobnou čočkou (průměru cca 1 mm) na malý kousek světlocitlivého materiálu, např. velikosti 1×1 mm2. Je celkem pochopitelné, že taková fotografie nebude příliš kvalitní. Za prvé, "objektiv" je tvořen jedinou čočkou a proto vykazuje různé optické vady, které se jinak kompenzují soustavou několika čoček. Za druhé, snímek velikosti 1×1 mm2 nemůže mít příliš velké rozlišení - současné digitální fotoaparáty mají pixely velké přibližně 0,005×0,005 mm2, čili dílčí fotografie budou mít rozlišení cca 200×200 pixelů, přičemž fotografie budou kvůli nedokonalostem čočky poměrně rozmazané. Navíc je každá drobná čočka integrální kamery pevně daná - nemůžeme u ní podobně jako u objektivů volit ohniskovou vzdálenost (neboli zorný úhel), nemůžeme volit clonu atd. Z praktického pohledu má tedy integrální fotografie nejednu nevýhodu. Pokusme se proto spojit klasickou a integrální fotografii do systému, který z obou technologií vybírá pokud možno jen výhodné stránky.

Pro začátek si uvědomme, proč obyčejný fotoaparát (s jedním klasickým objektivem) dokáže zaznamenat pouze ploché fotografie.

Záznam scény složené z bodů X a Y obyčejným fotoaparátem.

Z nákresu je patrné, že obyčejný fotoaparát dokáže ostře zachytit pouze předměty ve specifické vzdálenosti od objektivu. Je-li fotoaparát vybavený ostřicím mechanismem, můžeme tuto vzdálenost nějakým způsobem měnit. Dejme tomu, že ostřicí vzdálenost je nastavena na bod X, tedy že na světlocitlivém materiálu vzniká jeho ostrý obraz - všechny paprsky vycházející z bodu X se po průchodu čočkou protnou právě na světlocitlivém materiálu. Jestliže je ve scéně jiný bod, na nákresu označený Y, budou se paprsky z něj vycházející protínat po průchodu čočkou jinde; na světlocitlivém materiálu pak místo ostrého obrazu vznikne neostrá skvrna.

Co by se stalo, kdybychom - podobně jako u integrální fotografie - pozorovali zaznamenaný snímek přes čočku objektivu? Je celkem pochopitelné, že paprsky z obrazu bodu X (azurové čáry) projdou čočkou a protnou se v místě původního bodu X; zde funguje představa otočení chodu paprsků. Bohužel u skvrny tvořící rozmazaný obraz bodu Y (červené čáry) takovou úvahu udělat nemůžeme - světlocitlivý materiál nedokáže zaznamenat, odkud na něj světlo dopadlo. Každý bod "červené" skvrny (neostrého obrazu bodu Y) proto musíme považovat za bod, od nějž se paprsky světla šíří stejně jako od ostrého obrazu bodu X (průsečík azurových čar), tedy do všech stran. Červené paprsky, které vycházejí z neostrého obrazu bodu Y, proto vytvoří neostrou skvrnu v úrovni původního bodu X; neexistuje způsob, jak z neostrého obrazu bodu Y zpětně zjistit jeho pozici.

Pokus o rekonstrukci 3D světa z obyčejné fotografie stejným způsobem,
jako jsme použili v integrální fotografii.
Po umístění kurzoru na snímek se objeví paprsky při záznamu fotografie. Všimněme si, jak se rekonstruuje skvrna vzniklá neostrým záznamem bodu Y.

Jiná situace by samozřejmě nastala, kdybychom na světlocitlivém materiálu dokázali zazanamenat, odkud který paprsek přicházel. Ale to již umíme - samozřejmě pomocí integrální technologie. Jak víme, integrální fotografie dokáže zaznamenat směr příchozího světla. Jedinou změnou tak bude výměna obyčejného světlocitlivého materiálu za integrální kameru, tj. dvojici pole drobných čoček + světlocitlivý materiál. Takové soustavě se někdy říká plenoptická kamera. (Poznamenejme, že názvy "integrální fotografie", "plenoptická kamera", "zaostřená plenoptická kamera" apod. nejsou ustálené a různí autoři je používají různě.)

Konstrukce plenoptické kamery.

Dráhy jednotlivých paprsků v plenoptické kameře si zakreslovat nebudeme - stačí znát princip, tj. záznamová stěna (pole mikročoček + světlocitlivý materiál) dokáže zachytit nejenom intenzitu, ale i směr paprsků dopadajících z hlavního objektivu (na nákresu "přední čočka").

Jaké jsou vlastnosti plenoptické kamery?

Konstrukce plenoptické kamery, kterou jsme si představili, není zdaleka jediná. Alternativní konstrukce jsou založeny na různých parametrech použitých čoček a vzdálenostech mezi nimi, v zásadě jde ale pořád o totéž: zachytit světlo procházející hlavním objektivem nikoliv přímo na snímač, ale prostřednictvím dvojice pole mikročoček + snímač. Alternativní konstrukce mají své technické přednosti a nevýhody a jen čas ukáže, u které je kombinace výhod a nevýhod v praxi nejpoužitelnější.

Plenoptická kamera (libovolné konstrukce) má mnoho příjemných vlastností, a proto je jejich vývoj velmi aktivní:

Holografie

Dosud probírané techniky záznamu obrazu vždy spoléhaly na kombinaci čočka (objektiv) + světlocitlivý materiál (snímač). Již v roce 1948 představil Dennis Gabor alternativní techniku záznamu obrazu, která čočku nepotřebuje. Jak se časem ukázalo, je Gaborova metoda bezčočkového záznamu obrazu velmi vhodná pro záznam 3D obrazu. Obrázkům zaznamenaným Gaborovou bezčočkovou metodou říkáme hologramy, metodě samé pak holografie.

Podstata holografie leží ve zvláštním chování světla na mikroskopických vzdálenostech. Protože nám jde především o pochopení 3D záznamu světla, pokusíme se při výkladu postupovat stejně jako v předchozích kapitolách - od toho, co bychom chtěli, k prostředkům, jak toho dosáhnout.

Připomeňme si, že východiskem pro integrální fotografii byl jednoduchý postřeh: potřebujeme zaznamenat strukturu světla. Umístíme-li tedy mezi oči a pozorovanou scénu "skleněnou desku", chceme v každém jejím bodu zaznamenat intenzitu a směr světelného paprsku, který jím prochází.

Na "skleněné desce" potřebujeme zaznamenat směry a intenzity procházejících paprsků světla (včetně těch silně vyznačených). Chceme zaznamenat nejenom paprsky, které dopadají do očí, ale i všechny ostatní paprsky, které procházejí "skleněnou deskou".

Teď uděláme mírnou úpravu postupu, který jsme použili při vysvětlování integrální fotografie. Scénu (na nákresu složenou ze svítících bodů X a Y) odstraníme a místo skleněné desky umístíme před oči jakousi poloprůhlednou desku, kterou budeme zezadu osvětlovat. Budeme chtít, aby "poloprůhledná deska" lámala procházející světlo tak, aby zlomené paprsky opouštěly poloprůhlednou desku přesně pod úhly a s intenzitami, které jsme v předchozím kroku zaznamenali. Na následujícím nákresu jsou sice různé světelné paprsky pro přehlednost vyznačeny různými barvami, představujme si ale pro jednoduchost, že barva světla všech paprsků je stejná.

Chtěli bychom, aby hypotetická "poloprůhledná deska" lámala paprsky světla ze světelného zdroje tak, aby odcházející paprsky měly stejný směr a intenzitu jako v době záznamu světla na "skleněnou desku".
Po umístění kurzoru na obrázek se objeví chod paprsků při záznamu světla. Je patrné, že oči v obou případech vnímají totéž světlo, čili vidí totéž.

Na jazyk se samozřejmě dere otázka: jak takovou poloprůhlednou desku udělat? K vysvětlení metody si představíme dvě překvapivé vlastnosti světla.

Svítíme-li obyčejným ostrým světlem (třeba slunečním) na plaňkový plot, nic zvláštního se nestane, pouze za plaňkami uvidíme jejich stín. Pokud však bude hustota "planěk" velmi vysoká, třeba 100 planěk na jeden milimetr (jedna "plaňka" tak bude široká 0,005 mm a mezera mezi nimi bude rovněž 0,005 mm), budeme pozorovat zvláštní efekt: úzký paprsek světla se po průchodu rozštěpí na paprsek přímý a paprsky vedlejší. Takto jemnou strukturu "planěk" můžeme například získat vyfotografováním obyčejného plaňkového plotu proti ostrému světlu - zmenšený obraz vytvořený na fotografickém negativu je přesně to, co potřebujeme. Pro nás jsou důležité čtyři skutečnosti:

Průchod tenkého paprsku, například z laserového ukazovátka, jemnou strukturou, například na fotografickém filmu. Jemnější struktura způsobí větší odklon vedlejších paprsků.

Dejme tomu, že bychom chtěli vytvořit "poloprůhlednou desku" z předchozí diskuse, která ohne paprsky světla tak, aby se zdálo, že vycházejí z jediného bodu. Z následujícího nákresu je vidět, že požadovaná struktura by měla být na jedné straně velmi jemná (tam potřebujeme dopadající paprsky světla ohnout hodně), na druhé straně poměrně malá (tam mají dopadající paprsky skoro požadovaný směr). Pokud budeme takto nasvětlenou "poloprůhlednou desku" sledovat zprava, budou do očí dopadat paprsky (vyznačené červeně), jejichž směr přesně odpovídá situaci, jako kdyby vycházely z jediného bodu za poloprůhlednou deskou. Oči tedy uvidí za poloprůhlednou deskou svítící bod a nepoznají, že jde o pouhou iluzi.

Průchod svazku paprsků (naznačených zeleně) speciálně vytvořenou strukturou. Paprsky strukturou zlomené (vyznačené červeně) zdánlivě vycházejí z jediného bodu (naznačeno tenkými růžovými čarami).

Čistě pro zajímavost si můžeme říct, že právě popsanému jevu se říká ohyb čili difrakce světla. Ve světě kolem nás ji běžně nepozorujeme, protože k výraznému ohybu světla potřebujeme velmi jemné struktury - typicky stovky nebo tisíce čárek na milimetr - a s těmi se často nesetkáváme. Jeden relativně běžný případ ale přeci jen zmínit můžeme: duhové barvy odrážející se od povrchu kompaktního disku (CD) jsou způsobeny právě difrakcí, protože a) povrch CD je "zbrázděn" drážkami s hustotou 666 drážek na milimetr, b) červené světlo se průchodem přes jemnou strukturu či odrazem od ní ohne více než zelené a to zas více než modré světlo, a proto se dopadající bílé světlo (složené z červené, zelené, modré, ...) odrazem rozloží na duhu.

Druhá vlastnost světla je ještě překvapivější. Svítíme-li jedním světlem, například žárovkou, na bílou zeď, samozřejmě ji osvítíme. Svítíme-li dvěma stejnými žárovkami, samozřejmě je osvětlení zdi dvakrát větší. Pokud ovšem místo žárovkového světla použijeme světlo svým způsobem dokonalých vlastností, například laserové světlo, budeme moci pozorovat zvláštní úkaz: po nasvícení zdi "dvěma lasery" budou některá místa na zdi skutečně nasvícena "dvakrát více" než při nasvícení jedním laserem, jiná místa ale budou překvapivě velmi tmavá, jako by tam nesvítilo žádné světlo. Při použití "pěkných" svazků laserového záření bude navíc struktura světlých a tmavých míst velmi pravidelná, jak je naznačeno na nákresu.

Dva svazky paprsků (jeden naznačený červeně, druhý azurově) osvětlují bílou zeď. Pokud se svazky potkávají pod velkým úhlem, bude nasvícení zdi střídavě velké-malé-velké-malé atd., přičemž rychlost střídání bude značná. Pokud se svazky potkávají pod malým úhlem (viz obrázek vpravo), bude rychlost střídání menší.

Vysvětlovanému jevu říkáme interference a podobně jako difrakci ji kolem sebe běžně nepozorujeme. Má to především dva důvody. Za prvé: rychlost střídání světlých a tmavých proužků je značná, například při vzájemném úhlu světel 45° bude mít struktura jemnost cca 1500 proužků na milimetr, při vzájemném úhlu jen 1° bude stále jemnost struktury dost velká, asi 30 proužků na milimetr (tj. jeden proužek bude tenčí než lidský vlas). Tak jemná struktura bude stěží rozpoznatelná očima. Pokud bychom chtěli strukturu vidět bez lupy nebo mikroskopu, musely by se paprsky sbíhat pod mnohem menším úhlem, například při úhlu 0,03° by byly proužky silné asi 0,5 mm - pro představu to znamená svítit "dvěma lasery" vzdálenými od sebe 5 cm na zeď vzdálenou 100 m.

Druhý důvod, proč interferenci běžně nepozorujeme, je mnohem závažnější. Obyčejná světla jako sluneční nebo žárovkové totiž velmi rychle mění své vlastnosti. Interferenční proužky sice technicky vzato vznikají, ale neustále mění svou polohu - asi 10000000000× za vteřinu. Tak rychlý pohyb nezaznamenáme ani očima ani tou nejrychlejší kamerou - místo toho pozorujeme proužky "rozmazané" do zdánlivě jednolité intenzity světla. Pokud ovšem použijeme místo žárovky světlo z kvalitního laseru, můžeme docílit stavu, kdy se proužky nepohnou desítky minut - a můžeme je zaznamenat na fotografický film.

Difrakce (ohyb) a interference světla spolu velmi zvláštním způsobem souvisejí, což si ukážeme následujícím pokusem. Nejprve nasvítíme fotografický film dvěma svazky paprsků - ty vytvoří interferenční proužky a fotografický film je zaznamená. Následně film vyvoláme a nasvítíme jej jedním svazkem paprsků. Na struktuře zaznamenané filmem samozřejmě dojde k ohybu světla, čili za filmem můžeme očekávat kromě přímo propuštěného svazku i svazky ohnuté. Pokud osvětlovací svazek dopadá na film pod stejným úhlem jako jeden ze svazků, jimiž jsme strukturu na filmu vytvořili, bude mít difraktovaný svazek stejný směr, jako měl druhý ze svazků použitý pro vznik interferenční struktury.

V prvním kroku osvítíme fotografický film dvěma svazky paprsků, čímž zaznamenáme interferenční proužky.

V druhém kroku vyvolaný fotografický film nasvítíme pod stejným úhlem, pod jakým v předchozím kroku přicházely červeně vyznačené paprsky. Po průchodu filmem bude zeleně vyznačený svazek pokračovat v původním směru, kromě něj ale vznikne i svazek difraktovaný (vyznačený azurovou). Jeho směr bude totožný se směrem paprsků, které byly v kroku jedna vyznačeny rovněž azurovou barvou.
Po umístění kurzoru na obrázek se objeví paprsky použité vznik interferenčních proužků.

Připomeňme si, oč nám celou dobu jde.

Zdá se tedy, že máme vše potřebné pohromadě. Zkusme proto prakticky vyrobit iluzi svítícího bodu v prostoru.

V prvním kroku nasvítíme fotografický film jednak svítícím bodem, jednak rovnoběžným svazkem paprsků. Z nákresu je patrné, že na každý bod filmu dopadají paprsky pod jiným vzájemným úhlem. Tam, kde je vzájemný úhel velký, vzniká jemná struktura interferenčních proužků, kde je malý, je i hustota proužků malá. Po troše přemýšlení se dá odhadnout, že struktura proužků bude připomínat letokruhy.

V prvním kroku osvítíme fotografický film svítícím bodem (azurové čáry) a rovnoběžnými paprsky (červené čáry). Fotografický film zaznamená interferenční proužky.

V druhém kroku vyvolaný fotografický film nasvítíme stejnými rovnoběžnými paprsky, které jsme použili v předchozím kroku; v následujícím obrázku jsou vyznačeny zeleně. Po průchodu strukturou budou paprsky jednak pokračovat v nezměněném směru, jednak vzniknou paprsky difraktované. Jelikož v každém místě filmu je struktura proužků trochu jiná, budou mít i difraktované paprsky různé směry - pochopitelně stejné, jako měly paprsky původně vycházející ze svítícího bodu. Na obrázku jsou vyznačeny azurově.

V druhém kroku fotografický film nasvítíme pod stejným úhlem, pod jakým v předchozím kroku přicházely červeně vyznačené paprsky. Film budou opouštět jak paprsky přímé (vyznačené zeleně), tak paprsky difraktované (vyznačené azurově).
Po umístění kurzoru na obrázek se objeví paprsky použité vznik interferenčních proužků. Všimněme si, že azurově vyznačené paprsky z kroku 1 navazují na paprsky v kroku 2.

Struktura, kterou jsme vyrobili, se nazývá hologram. Její hlavní vtip spočívá ve skutečnosti, že osvětlený předmět si můžeme představit jako spoustu svítících bodů. Nemělo by nás proto překvapit, že schéma záznamu a prohlížení skutečného hologramu naznačené na následujících obrázcích skutečně poskytuje téměř dokonalou iluzi skutečnosti. Následující obrázky představují typická schémata záznamu a pozorování tzv. transmisního (průhledového hologramu). Při záznamu dopadají (podobě jako dosud) na světlocitlivou desku světelné paprsky ze stejné strany. Při pozorování dopadá na vyvolanou desku světlo zezadu a divák má dojem, že za deskou vidí původní předmět.

Hologram vytváříme laserovým světlem, které se odráží jak od objektu, tak od zrcadla. Tím se vytvoří dva svazky paprsků, které mohou vytvářet jemnou strukturu interferenčních proužků, která se zaznamenává na světlocitlivou desku. V praxi se svazky paprsků netvoří dvěma lasery, jak jsme dosud tiše předpokládali, ale rozdělením světla z jednoho laserového zdroje.

Strukturu zaznamenanou v předchozím kroku na hologramu nasvítíme stejným svazkem paprsků, jaký byl použit při záznamu; hologram jej ohne a vytvoří kopii druhého svazku. Proto pokud hologram nasvítíme jednoduchým svazkem paprsků přicházejícím od původně umístěného zrcátka, vznikne průchodem holografickou strukturou stejný svazek paprsků, který původně opouštěl snímaný objekt. Pokud divák sleduje nově vzniklé paprsky, neumí rozlišit, zda se dívá na původní objekt nebo na jeho dokonalou iluzi - světlo dopadající do očí je totiž stejné. Mimochodem: jelikož se ohýbá světlo, které prochází hologramem, říkáme hologramu transmisní (= průhledový).

Kromě klasických transmisních hologramů existuje ještě spousta jiných typů. Liší se od nich například požadavky na pozorovací osvětlení (laserové nebo obyčejné světlo), ostrostí, věrností podání barev a mnoha jinými vlastnostmi. Jejich výklad je ale nad možnosti tohoto úvodu do problematiky.

Jednu jejich společnou vlastnost bychom si ale měli ozřejmit. Laikové se velmi často mylně domnívají, že hologram (nebo obecný 3D displej) dokáže vytvořit iluzi předmětu volně se vznášejícího prostorem, viz obrázek. Ukažme si, proč žádný typ hologramu ani jiného 3D displeje nic takového nesvede.

Obvyklá, ale zcela mylná představa "holografického displeje", který vytváří iluzi vznášející se volně v prostoru.

Připomeňme si zřejmý fakt, že oči vnímají jen paprsky světla, které do nich vstupují. Tyto paprsky musí někde začínat, například na skutečném předmětu nebo na obrazovce. Jakmile světlo předmět nebo obrazovku opustí, šíří se prostorem přímočaře a některé světelné paprsky mohou do oka dopadnout. Jestliže do oka dopadl z nějakého směru paprsek světla, oko si uvědomí, že v příslušném směru něco vidí.

Na škrtnutém obrázku výše je ale těžko uskutečnitelná iluze. Chtěli bychom aby oči vnímaly například hlavy figurek, tedy paprsky světla by musely do očí přícházet ze směru, kde chceme figurky mít. Současně ale chceme, aby veškerou iluzi, tj. světlo, vytvářel "holografický displej", tj. aby světlo začínalo například na jeho horní stěně. Z obrázku je pochopitelné, že paprsky světla by musely z displeje napřed doletět do míst, kde mají figurky hlavy, pak nějak zahnout a pokračovat směrem k divákovým očím. Bohužel, nikdo zatím nenašel způsob, jak paprsky světla "jen tak" ve vzduchu ohnout.

Hologram nebo jakýkoliv jiný současný 3D displej musíme chápat jako okno, jímž vidíme iluzorní skutečnost. To, co vidíme, je omezeno rámem okna. Je možné vytvořit iluzi, že něco je "před oknem", něco "za oknem", ale neumíme udělat iluzi, že se něco nachází "vedle okna". Na následujícím obrázku je azurovým trojúhelníkem naznačeno, kde může divák spatřit iluzi - jde o plochu mezi polopřímkami, která začínají v oku a pokračují směrem k okrajům 3D displeje.

Jakýkoliv současný 3D displej, včetně hologramu, dokáže vytvořit iluzi jen uvnitř azurového trojúhelníku. Iluze může vznikat před displejem, za ním, ale ne vedle něj.

Uveďme si k problematice holografie poslední drobný detail. Slovo "hologram" poprvé použil objevitel holografie Dennis Gabor ve svém textu, kde metodu záznamu světla vysvětluje. Kromě metody, kterou Gabor popsal, existuje monoho dalších metod holografie; všechny ale pracují s mikroskopicky jemnou strukturou, která mění vlastnosti světla. V obecném jazyce se však slovo "hologram" začalo používat pro kdejaký efekt, který souvisí s iluzí 3D. Technicky vzato to není správně; na druhou stranu je ale značně komplikované definovat, co hologram je a co hologram není, čili laikům nelze mít za zlé, že slovo používají nesprávně. Odborník by ale měl pojmy používat co nejpřesněji - když si dítě plete slova "kreslit" a "malovat", je to omluvitelné, ale výtvarníkovi by se to plést nemělo. Proto slova související s holografií vyhradíme pro metody využívající interferenci a difrakci světla.

Projekce Pepper's ghost a jiné iluze

Výklad o metodách 3D displejů uzavřeme přehledem několika postupů, které technicky vzato 3D iluzi neposkytují, ale velmi často se mezi 3D - zejména z marketingových důvadů - zařazují.

Asi nejznámější iluzí je tzv. Pepper's ghost (Pepperův přízrak; podle J. H. Peppera, který metodu zdokonalil). Obvykle se označuje zcela nepatřičně jako "holografická projekce" (takto ji dokonce inzerují i výrobci), i když s holografií nemá nic společného. Její současná podoba umožňuje, aby se "na pódiu" (např. koncertním) najednou objevila postava; slavné jsou projekce již nežijících zpěváků (např. Tupac Shakur nebo Michael Jackson) nebo animovaných figur (Hatsune Miku). Princip je jednoduchý: na pódiu je postavena například skleněná deska, a to tak, aby byla za normálních okolností prakticky neviditelná. Ve vhodném úhlu je umístěn velmi jasný displej nebo projekční plátno. Je-li displej rozsvícený, odráží se jeho obraz směrem k divákům. Ti tedy vidí, jako by se v okamžiku zapnutí displeje (který ale přímo nevidí) na pódiu něco objevilo, například iluze postavy.

Typická současná pódiová instalace efektu Pepper's ghost. Je-li "skleněná deska" (v praxi se spíš používá napnutá fólie) dostatečně velká a pódium je šikovně nasvícené, není ji prakticky vidět a skrz ni jsou vidět lidé na pódiu. Jakmile se začne promítat na projekční plátno, deska obraz odrazí a divákům se bude jevit, jako by se na pódiu náhle objevilo něco nového. Při vhodné choreografii je možné dosáhnout efektu, jako by iluze spolu se skutečnými lidmi tančila apod.

Nejčastější provedení iluze Pepper's ghost samozřejmě nemá s 3D prakticky nic společného - jde pouze o odraz plochého obrazu. Tím, že se obraz jeví ve stejných místech jako jiní lidé na jevišti, je iluze poměrně přesvědčivá. Efekt ovšem funguje zejména proto, že předpokládá víceméně nehybné diváky. Jakmile by se diváci začali pohybovat, zjistili by, že pohybová paralaxa nefunguje správně a rázem by měli o podstatě iluze jasno.

Existují sice varianty, kdy se Pepper's ghost využívá "v malém", například v interiérové prezentaci zboží. Pak se "skleněné desky" postaví typicky do tvaru pyramidy, v každé "skleněné desce" se odráží jeden displej a diváci mohou pyramidu obcházet. Aby se zastřely nedokonale zvládnutné mechanismy vjemu hloubky (zejména pohybová paralaxa), iluze se neustále pohybuje a mění, aby si diváci nestačili uvědomit trik. Je to podobné kouzelnickému představení - triky musí následovat rychle za sebou, aby o nich diváci nestačili příliš přemýšlet.

Ukázkovým interiérovým využitím Pepper's ghost je systém Cheoptics 360. Převzato odsud.

Projekce do mlhy

Z nějakého důvodu zákazníci často žádají, aby se obraz skutečně objevoval "ve vzduchu", aby byl nehmotný a šlo jím projít - zkrátka se přiblížit sci-fi představě, kterou jsme se zabývali na přeškrtnutém obrázku výše. Jedním z obvyklých řešení je vyvořit z mlhy (nebo dýmu nebo jinak upraveného vzduchu) tenkou stěnu, která bude sloužit jako projekční plocha. Tzv. mlžná stěna se vytváří poměrně snadno - mlha z generátoru (používaného např. na koncertech) se vyfukuje skrz mnoho tenkých trubiček umístěných v řadě takovou rychlostí, aby se jednotlivé pramínky mlhy spojily v jednolitou plochu.

Podstata mlžné projekce.

Opět je zřejmé, že projekce do mlhy nemá s 3D displeji nic společného, poskytuje pouze plochý obraz, navíc nepříliš kontrastní a relativně neklidný. Pokud se "mlha" vyrobí tak, aby byla téměř nepostřehnutelná, vzniká i přes uvedené nedostatky zajímavá iluze. Zde si ji uvádíme proto, že se (opět hlavně z marketingových důvodů) zařazuje mezi 3D techniky.

Ukázka mlžné projekce. V praxi se mlžná stěna vytváří podle potřeby shora dolů (jako zde) nebo zdola nahoru (jako na předchozím schematickém obrázu). Převzato odsud.

Objemový (volumetrický) displej

Od myšlenky mlžného displeje je jen krok k další verzi projekce do vzduchu: zaostřit laserové paprsky do konkrétního místa v prostoru tak, aby energie laseru rozložila v daném místě vzduch a ten začal světélkovat. Takové systémy existují. Mají ovšem dvě zásadní nevýhody. První je zřejmá: systém vyžaduje velmi výkonné lasery; ovšem laser, který dokáže rozložit vzduch, také dokáže bez problémů poškodit lidský zrak. Proto je nelze instalovat kamkoliv a jakkoliv, ale je pečlivě zvažovat bezpečnostní rizika.

Podstata a zásadní nevýhoda laserového objemového displeje - divák vidí i svítící body v pozadí.

Druhá nevýhoda není na první pohled tolik patrná, ale je mnohem závažnější. Je sice možné rozsvítit laserovými paprsky bod ve vzduchu; ten potom ale bude svítit do všech směrů a nerušeně se šířit prostorem. Připomeňme si, že jedním ze základních vodítek pro rozpoznávání hloubky jsou zákryty: to, co je daleko od očí, je zakryto objekty blízko k očím. U laserového objemového displeje však divák uvidí jak svítící body v popředí, tak v pozadí - mechanismus zákrytu tedy nefunguje a nikdo zatím nevymyslel způsob, jak toto omezení obejít. I proto se laserové objemové displeje hodí jen pro efekty typu "běhající hvězdičky", ale pro skutečnou iluzi 3D jsou nevhodné.

Ukázka laserového objemového displeje. Převzato odsud.

Zpět na hlavní stránku.