Wstęp
Techniki wyświetlania trójwymiarowego, tak jak zdecydowana większość koncepcji prezentowania ruchomych obrazów, na początku pojawiły się w kinach. To właśnie kina od zawsze jako pierwsze wprowadzały nowinki w tej dziedzinie. Gdy na świecie na stałe zadomowiły się czarno-białe odbiorniki telewizyjne, w kinach dopracowano technikę filmów kolorowych. Gdy w połowie lat 60. ubiegłego wieku zaczęły pojawiać się kolorowe telewizory, kina wprowadziły ekrany panoramiczne, którym bardzo trudno było nadać postać kineskopów. Gdy i ta bariera została pokonana, kina starały się przyciągać widzów za pomocą wielokanałowego dźwięku, ale wraz z postępem techniki cyfrowej dźwięk przestrzenny wkroczył do tzw. kin domowych. Ostatnim bastionem były filmy trójwymiarowe, najczęściej wyświetlane z dwóch projektorów. Początkowo obejmowały głównie filmy popularno-naukowe i familijne, a liczba scen w technice 3D była ograniczona, ale z czasem nowy kierunek ujawnił się także w pełnometrażowych filmach fabularnych. Coraz większa liczba filmów 3D nie umknęła uwadze producentów sprzętu rtv, którzy zaczęli projektować telewizory 3D.
Różne wyświetlacze – różne okulary
Trójwymiarowy obraz powstaje przez wytworzenie i wyświetlenie odpowiednio przygotowanych, różniących się obrazów dla lewego i prawego oka. Muszą one być tak dopasowane, by przedstawiały obiekt widziany z konkretnej odległości – oddzielnie z oka lewego i prawego. W praktyce oznacza to, że oba obrazy przedstawiają tę samą treść, tylko nieco przesuniętą. Im przesunięcie większe, tym większa głębia (lub wypukłość) uzyskanego w ten sposób obrazu.
Istnieje kilka metod prezentacji trójwymiarowych obrazów, przy czym tylko dwie są popularne. Najprostszą i znaną od wielu lat jest technika anaglifów. Polega ona na zabarwieniu obrazu dla oka prawego na inny kolor niż w przypadku obrazu dla oka lewego. Najczęściej stosuje się kolory: czerwony lub fioletowy i zielony lub turkusowy. Aby móc oglądać taki obraz, należy skorzystać z kolorowych okularów z filtrami odpowiadającymi kolorom zastosowanym do zabarwienia obrazów. W momencie przechodzenia światła odbitego od obrazu przez kolorowy filtr cały obraz zostaje zabarwiony na kolor danego filtra, co sprawia, że elementy, które miały wcześniej ten kolor, stają się niewidzialne. Analogicznie drugie oko praktycznie nie widzi fragmentów zabarwionych na drugi z kolorów użytych w filtrze.
Stosowanie tej techniki jest tanie, ale jakość obrazu – bardzo niska. Przede wszystkim oglądany materiał jest odbarwiony, a ponadto obrazy dla obu oczu nie są w pełni rozdzielone. Przyczyną jest to, że o ile nasycenie barwy fragmentu obrazu nie wpływa na to, jak widziana jest przez oko przesłonięte filtrem o tej samej barwie, o tyle jej jasność – już tak. W efekcie ta technika nie ma nic wspólnego z nowoczesnymi wyświetlaczami – równie dobrze może zostać użyta w połączeniu z tradycyjnym telewizorem, o ile tylko przygotuje się odpowiedni materiał źródłowy.
Drugą z metod jest zastosowanie filtrów polaryzacyjnych. Ta technika jest wykorzystywana w nowoczesnych telewizorach LCD 3D oraz w niektórych kinach i również wymaga zastosowania okularów. Polega na prostopadłej względem siebie polaryzacji linii parzystych i nieparzystych na ekranie oraz użyciu dwóch prostopadle ułożonych filtrów polaryzacyjnych jako okularów. Telewizor LCD w technice 3D nie jest dużo bardziej kosztowny w produkcji od tradycyjnego LCD, gdyż filtry polaryzacyjne i tak są częścią konstrukcji ekranu.
Obraz 3D w ekranach LCD również składa się z dwóch oddzielnych półobrazów przeznaczonych dla lewego i prawego oka. Przeplatają się one wzajemnie, linia po linii, i są wyświetlane jednocześnie. Okulary na nosie widza oddzielają linie parzyste i nieparzyste, przepuszczając tylko nieparzyste dla oka lewego i parzyste dla prawego – lub na odwrót. Mechanizm ten sprawia, że okulary są dosyć lekkie i tanie w produkcji, ale rozdzielczość obserwowanego obrazu dwukrotnie niższa od obrazu dwuwymiarowego na tym samym telewizorze.
Obraz 3D wyświetlany w tej technice jest dość dobrej jakości, ale jest nieco ciemniejszy, niż gdyby był oglądany gołym okiem. Filtry polaryzacyjne blokują połowę światła docierającego do okularów. Obrazy dla poszczególnych oczu są dość dobrze rozdzielone, a same barwy nie są przekłamane.
Trzecią z metod obecnie stosuje się w nowoczesnych telewizorach plazmowych. Pozwalają one na wyświetlanie bardzo szybko zmieniającego się obrazu – co często jest reklamowane pod takimi nazwami jak technologia 600 Hz. Zdolność do szybkich zmian obrazu jest wykorzystywana do naprzemiennego wyświetlania klatek obrazu dla oka lewego i prawego. Gdyby oglądać je gołym okiem, obraz byłby rozmyty, gdyż szybko zmieniające się obrazy dla lewego i prawego oka zlewałyby się z sobą. Aby uzyskać efekt głębi, trzeba zastosować okulary, które wytłumią światło z ekranu tak, by do każdego oka trafiały tylko obrazy przeznaczone właśnie dla niego. Stosuje się w tym celu okulary z aktywnymi migawkami, które naprzemiennie przyciemniają i rozjaśniają obrazy dla poszczególnych oczu. Odbywa się to, podobnie jak we wcześniej opisanym przykładzie, przy użyciu polaryzatorów, z tą różnicą, że tym razem na każde oko przypadają dwie warstwy filtrów oraz warstwa ciekłych kryształów pomiędzy nimi. Kryształy te zmieniają swoje ułożenie w takt nadchodzących sygnałów elektrycznych, wpływając na polaryzację przechodzącego przez nie światła. W efekcie tak ułożone filtry tłumią całe światło dla oka lewego, gdy przepuszczają światło dla oka prawego, i na odwrót. Oczywiście, rytm, w jakim działają migawki, musi być zgodny z rytmem, w jakim prezentowane są poszczególne klatki filmu. Dlatego konieczna jest synchronizacja, którą zapewnia sygnał nadawany w świetle podczerwonym. Zamontowany w telewizorze nadajnik przesyła informację o tym, które oko ma być w danej chwili przysłonięte, a sensor umieszczony w okularach odbiera je i steruje polaryzacją warstwy ciekłych kryształów. Ta technika jest wykorzystywana także w wielu kinach, z tym że wtedy sygnał sterujący okularami jest nadawany z pomieszczenia z projektorem, w taki sposób, by odbijał się od ekranu i trafiał do okularów.
Ta metoda pozwala wyświetlać obrazy w pełnej rozdzielczości HD dla każdego oka – o ile jest dostępne odpowiednie źródło sygnału. Ma też swoje wady. Przede wszystkim okulary działające w ten sposób są droższe, a ponadto wymagają własnego zasilania bateryjnego. Co więcej, są cięższe, co może powodować u widza dodatkowy dyskomfort.
Obraz wyświetlany w tej technice ma wysoką jakość, choć jest nieco ciemniejszy, niż gdyby był oglądany gołym okiem. Obrazy dla lewego i prawego oka są dobrze rozdzielone, a barwy – w miarę naturalne. Najczęściej występuje – w zależności od źródła sygnału – ograniczenie do połowy rozdzielczości Full HD w pionie lub dwukrotny spadek efektywnej liczby klatek na sekundę.
Ostatnia z metod stosowanych w wyświetlaczach 3D to autostereoskopia. Pod tą nazwą grupuje się różnego rodzaju techniki, które nie wymagają zastosowania okularów. Niestety, jest to okupione dodatkowym utrudnieniem: widz musi znajdować się w odpowiednim miejscu przed ekranem, w przeciwnym razie efekt 3D zaniknie. Ekran tego typu został wbudowany w najnowszą konsolę Nintendo 3DS, której prezentacja odbyła się na dopiero co zakończonych targach E3. Sąsiadujące ze sobą piksele są przeznaczone naprzemiennie dla lewego i prawego oka, co sprawia, że efektywna rozdzielczość wyświetlanego materiału jest połową rozdzielczości ekranu w trybie 2D. Aby światło z pikseli parzystych trafiło do innego oka niż z nieparzystych, przed samym ekranem umieszczono dodatkową warstwę, o specyficznym kształcie, która zakrzywia kierunek padania promieni światła lub selektywnie je blokuje. W efekcie są one tak skierowane, by trafiały w lewe i prawe oko gracza trzymającego konsolę dokładnie przed sobą i w odpowiedniej odległości.
Ta technika jest bardzo wygodna dla widza, gdyż pozwala pozbyć się dużych i irytujących okularów oraz nie przyciemnia obrazu, ale nie nadaje się do stosowania w dużych telewizorach. Wynika to ze specyfiki korzystania z przenośnej konsoli, które znacząco różni się od sposobu, w jaki ogląda się filmy. Gdyby zaimplementować autostereoskopię w telewizorach, widz musiałby siedzieć nieruchomo w wyznaczonym miejscu przez cały czas trwania seansu, a oglądanie tego samego materiału przez kilka osób naraz byłoby praktycznie niemożliwe.
Źródło 3D
Naturalnie, nie wystarczy mieć na czym oglądać materiały 3D – trzeba mieć jeszcze co oglądać. W przypadku gier problem ten praktycznie nie istnieje – w razie potrzeby zdecydowaną większość nowoczesnych gier można łatwo przerobić tak, aby wyświetlane były oddzielne obrazy dla oka lewego i prawego. Pomysł ten pojawiał się już w przeszłości – jakieś 10 lat temu na rynek co jakiś czas wprowadzano wersje kart graficznych z dodatkowymi okularami, które pozwalały grać w 3D. W praktyce to się nie przyjęło – być może ze względu na ograniczoną wtedy technikę wyświetlania, być może przez zbyt małą moc obliczeniową ówczesnych kart graficznych albo za niskie nakłady na reklamę tych produktów. W najbliższym czasie liczba gier wyprodukowanych specjalnie z myślą o tej technice na pewno wzrośnie. Bardzo możliwe, że niebawem niemal wszystkie nowe tytuły będą przystosowane do generowania dwóch obrazów jednocześnie.
Znacznie gorzej jest z filmami kinowymi, z których tylko niewielka część została przygotowana w technice 3D. Co więcej, są to albo filmy dla dzieci, albo akcji, a więc trafiają w gusta tylko części odbiorców. Oznacza to, że widz, który kupi telewizor z obsługą techniki 3D i będzie chciał w pełni wykorzystać jest dodatkowe funkcje, będzie skazany na oglądanie niewielkiej liczby tytułów. Z czasem filmów trójwymiarowych na pewno przybędzie, ale raczej minie jeszcze dużo czasu, zanim w technice 3D zaczną być kręcone dramaty, komedie romantyczne albo niewielkie, niezależne produkcje.
Jeszcze gorzej wygląda kwestia transmisji telewizyjnych. Na razie kamery trójwymiarowe są stosowane jedynie w relacjach z wydarzeń sportowych, choć trudno wróżyć, czy ta technika się przyjmie. Praktycznie nie ma planów wprowadzenia kamer 3D na plan seriali lub innych produkcji telewizyjnych. Tak więc nabywca nowoczesnego telewizora będzie zakładał dołączone okulary na tyle rzadko, że można się zastanawiać, jaki jest sens wymieniać telewizor na nowy.
Rodzaje źródeł
Obraz powstały w wyniku nagrania musi zostać odpowiednio zapisany. Ponieważ moda na filmy 3D pojawiła się dosyć szybko i niespodziewanie, organizacje standaryzujące rynek wideo jeszcze nie zdążyły wprowadzić odpowiednich regulacji, które definiowałyby oficjalny sposób zapisu i przesyłu takiego materiału. Znacznie większym problemem jest ograniczenie przepustowości kanałów transmisyjnych, które są przystosowane w najlepszym razie do sygnałów Full HD. Aby zmieścić w tym paśmie dane potrzebne do wyświetlenia dwóch obrazów dwuwymiarowych naraz, trzeba było zmniejszyć objętość strumieni wideo, by mieściła się ona w paśmie przeznaczonym dla Full HD. Najczęściej polega to na przesyłaniu co drugiej linii obrazu dla oka lewego i co drugiej dla prawego, które w sumie tworzą obraz o pełnej rozdzielczości 1080 linii. Należy jednak wziąć pod uwagę to, że sposób zapisu powinien być dopasowany do sposobu tworzenia obrazu 3D przez telewizor. Kolejność ułożenia linii obrazów powinna pozwolić odtwarzać wideo przy użyciu jak najmniejszego bufora danych. Oznacza to, że w przypadku telewizorów wyświetlających na zmianę klatkę obrazu lewego i prawego korzystniejszym rozwiązaniem będzie zapis i przesył całych klatek obrazu dla lewego i prawego oka (np. spłaszczonych w celu zmniejszenia ich wielkości), następujących po sobie, zamiast w postaci naprzemiennie dostarczanych linii. Szczegóły techniczne tych rozwiązań znajdziecie w następnym rozdziale.
Format zapisu – szczegóły techniczne
Mimo że miał to być bardziej felieton, teraz wejdziemy w szczegóły techniczne związane z procesem zachodzącym od powstania obrazu 3D do jego wyświetlenia na ekranie telewizora.
Istnieje sześć podstawowych sposobów rejestracji. Naturalną metodą jest zapisanie dwóch niezależnych kanałów wideo. Pozwala to dosyć dowolnie wybrać rozdzielczość i liczbę klatek na sekundę. Jednak aby dopasować zebrane dane do obecnie istniejących standardów zapisu lub przesyłu, trzeba dwukrotnie zmniejszyć liczbę przesyłanych klatek na kanał w porównaniu z płaskim obrazem. Konsekwencją jest zmniejszenie efektywnej liczby klatek na sekundę, co skutkuje zauważalnym migotaniem obrazu.
Zamiast zapisywać co drugą klatkę z każdego obiektywu, dwukrotne zmniejszenie ilości gromadzonych danych można uzyskać przez pionową lub poziomą kompresję każdej z klatek. Klatki, po ściśnięciu ich o połowę i zestawieniu obok siebie, są odczytywane jedna po drugiej – jeśli zostały umieszczone w pionie. Jeśli w poziomie – fragmenty klatek są odczytywane naprzemiennie. Pierwsza z tych metod wymaga zastosowania do odczytu dodatkowego buforu obrazu. Obie ograniczają o połowę rozdzielczość każdej z klatek w pionie lub poziomie.
Następną metodą jest naprzemienny zapis lub przesył linii należących do klatek z różnych obiektywów. Ta metoda oznacza dwukrotne zmniejszenie rozdzielczości obrazów poszczególnych klatek w pionie, ale jest powszechnie stosowana ze względu na łatwość prezentacji takich danych, na przykład z użyciem projektorów LCD.
Nic nie stoi na przeszkodzie, by naprzemiennie przesyłać nie tylko całe linie obrazu, ale także poszczególne piksele. Skutkiem jest zmniejszenie rozdzielczości klatek zarówno w pionie, jak i w poziomie, ale ta metoda ma też istotną zaletę. Wykorzystując piksele z poprzednich klatek i ewentualnie klatek przyszłych, można interpolować ruch i sztucznie zwiększyć rozdzielczość dzięki prostym algorytmom.
Naturalnie, istnieje też możliwość zapisu obrazu o objętości dwukrotnie większej od tradycyjnego materiału Full HD, a to dzięki zastosowaniu nowoczesnych kontenerów do przechowywania plików wideo, ale tej metody obecnie nie stosuje się z braku standardów przesyłania i wyświetlania takich filmów.
Aby umożliwić poprawny odczyt lub wyświetlenie zapisanego obrazu trójwymiarowego, trzeba było stworzyć standardy jego przechowywania i przesyłania oparte na wcześniej opisanych metodach. Obecnie istnieje już odmiana standardu Blu-ray przeznaczona do przechowywania wideo 3D, której obsługa niebawem zostanie zaimplementowana w najnowszych czytnikach tych płyt. Obraz z takiego nośnika może być przesyłany kablem HDMI w wersji 1.4, która zapewnia obsługę materiału 3D Full HD.
Źródłem sygnału 3D mogą być także tunery cyfrowej telewizji satelitarnej. Dwukrotne zmniejszenie efektywnej rozdzielczości obrazów pozwala na przesyłanie ich w obecnie dostępnych pasmach i kanałach, ale poprawne odtworzenie takiego materiału wymaga aktualizacji oprogramowania dekoderów. Najwięcej trudności we wprowadzeniu nowej techniki będą mieli nadawcy wykorzystujący transmisję radiową – naziemną. To dlatego, że dysponują oni najmniejszym pasmem na przesył danych.
Konwersja 2D na 3D
Producenci telewizorów zauważyli, że niewystarczająca ilość materiałów 3D może znacząco zniechęcić do kupowania nowych wyświetlaczy, dlatego starają się robić wszystko, by tę ilość zwiększyć. Jednym z pomysłów jest konwertowanie w studiach starych hitów kinowych na wersje trójwymiarowe. Zapowiedziano już przerobienie bardzo wielu ważnych amerykańskich produkcji sprzed lat. Wszystko wskazuje na to, że ten proces będzie przypominał kolorowanie filmów czarno-białych, które stało się modne kilkanaście lat temu. Być może na początku faktycznie będzie to dobry sposób na zwiększenie dostępności materiałów 3D, ale prawdopodobnie z czasem ten zabieg przestanie być popularny. Sztuczne wytworzenie efektu 3D w filmie 2D na pewno nie będzie banalne, a rezultat może być słaby.
Drugi z pomysłów jest jeszcze bardziej kontrowersyjny, bo ma polegać na automatycznym konwertowaniu w telewizorze (w trakcie oglądania) materiału 2D. Ten sposób promuje Toshiba, która korzysta z dostępu do techniki procesora Cell, dzięki czemu względnie tanim kosztem może wyposażyć wyświetlacz w naprawdę dużą moc obliczeniową. Niestety, powodzenie tego pomysłu jest wątpliwe: obraz 2D może zawierać zbyt mało informacji, by dało się poprawnie odtworzyć trójwymiarowe kształty. Niemniej gdyby rzeczywiście udało się w ten sposób skutecznie przerabiać materiał wideo, problem niedostępności trójwymiarowych filmów zupełnie by zanikł.
Szereg trudności
Możliwość oglądania materiałów wideo w trzech wymiarach brzmi atrakcyjnie, ale na horyzoncie widać szereg problemów. Przykładowo: sens wyświetlania wideo w 3D zależy od jakości uzyskanego obrazu oraz komfortu widza. Obecnie dostępne techniki męczą oczy i niekiedy powodują bóle głowy, choć każdy reaguje w różnym stopniu. Sam obraz nie jest najwyższej jakości, gdyż zazwyczaj rozdzielczość jest dwukrotnie mniejsza w stosunku do analogicznego materiału 2D. Tłumione są także kolory, a sam efekt trójwymiarowości wcale nie jest idealny. Problemem może być także oglądanie w kilka osób: potrzeba wielu par okularów i nawet jeśli goście umówiliby się, że wezmą własne, to ze względu na różnice w sposobie wyświetlania część z nich mogła by się nie nadawać.
Podnoszą się także głosy, że obecna technika rejestracji, przesyłu i wyświetlania obrazu nie wystarcza, aby zapewnić odpowiednią jakość materiału 3D. Gdyby bowiem założyć, że dostępne piksele mają równie dobrze odwzorowywać obraz w głąb jak i wszerz, konieczne byłoby znaczne zwiększenie ich liczby.
Dużo problemów rodzi także sama sztuka kinematografii 3D, która ze względu na swoją specyfikę jest przez wiele osób uznawana za zupełnie nową dziedzinę. Reżyser lub kamerzysta, kręcąc film, musi zdecydować za widza, który element obrazu będzie ostry, a który rozmyty – czyli gdzie widz powinien skupić wzrok. Prawdziwe obrazy 3D są zupełnie inne: to widz sam ustala, na co patrzy, a więc który obiekt widzi ostro, a który zmywa się z tłem. Co więcej, szybkie zmiany głębi obrazu, na przykład pomiędzy poszczególnymi scenami, mogą być bardzo męczące dla wzroku, gdyż wymagają zmiany odległości, w jakiej jest ogniskowany. Wiele czasu upłynie, zanim montażyści udoskonalą tę sztukę tak, by była przyjemna dla oka.
Mimo to technika 3D już wkracza na rynek produktów konsumenckich. Przewiduje się, że w ciągu najbliższych pięciu lat rynek zostanie zalany względnie tanimi kamerami 3D.
Podsumowanie
Czy wyświetlacze 3D przyjmą się? Trudno powiedzieć, ale chyba tak, choć prawdopodobnie początkowo ich zalety będzie można wykorzystać niezmiernie rzadko. O ile wydaje się to dobrą wiadomością dla producentów telewizorów 3D, to w rzeczywistości wcale tak nie jest. Okazuje się bowiem, że ceny modeli pozwalających oglądać trójwymiarowe obrazy już teraz są dość niskie. Takie telewizory kosztują około dwa razy tyle co podobnej jakości wyświetlacze 2D. Co więcej, te ceny są niewiele wyższe od cen tradycyjnych wyświetlaczy z najwyższej półki sprzed dwóch – trzech lat.
Być może na rynku pojawią się jeszcze inne techniki trójwymiarowego wyświetlania, na przykład oparte na badaniu położenia widza względem telewizora, ale co oczywiste, będą miały liczne ograniczenia. Dlatego wiele wskazuje na to, że jeśli ktoś w najbliższym czasie będzie chciał oglądać filmy akcji tak, jak chcieliby ich producenci, będzie skazany na niewygodne okulary.
Czy warto sięgać po telewizor 3D? Autor artykułu jest raczej sceptycznie nastawiony po obejrzeniu kilku filmów 3D, z których chyba tylko Avatar naprawdę zyskiwał na wprowadzeniu trzeciego wymiaru. Tymczasem filmy takie jak Alicja w krainie czarów Tima Burtona wydają się tracić, choćby ze względu na wyblakłe barwy kolorowego świata. Oznacza to, że obecnie jest niewiele filmów, które w trybie 3D są znacznie bardziej efektowne lub ciekawsze niż w 2D. Można wręcz powiedzieć, że ze względu na ich liczbę bardziej opłaca się tych kilka razy w roku pójść do kina, choćby w cenie 30 zł za seans, niż dopłacić kilka tysięcy złotych za funkcję 3D w telewizorze i czekać, aż film trafi na drogi nośnik Blu-ray, który na dodatek wymaga drogiego odtwarzacza.
Sytuacja z monitorami do gier jest nieco inna, bo materiału do oglądania może szybko przybyć. Niestety, na razie na rynku jest tylko kilka monitorów 3D i chyba warto poczekać, aż będzie ich więcej. Trzeba też pamiętać, że trójwymiarowe gry będą wymagać mocnego komputera. W przypadku techniki NVIDIA 3D Vision wymagania co do sprzętu w trybie 3D rosną średnio od półtora raza do dwóch razy. Lepiej zatem nie dać się uwieść notebookom, których „zaletą” jest obsługa techniki 3D, mimo że reszta podzespołów nie nadąża. Obecnie tylko konstrukcje z najmocniejszymi GeForce'ami mogą zapewnić zadowalającą płynność, a i to nie w każdym tytule.
Przeczytaj także artykuł Emocje na żywo w formacie 3D w serwisie Trochę Techniki.