Секреты 3D-изображения

Министерство образования и науки РБ

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа № 48 г. Улан-Удэ»

Городская научно - практическая конференция

«Обыкновенное чудо»

Секция «Физика»

Секреты 3D- изображения

Выполнила:  Житухина Валерия, ученица 5 «Б» класса

Руководитель: Кобылкина Екатерина Михайловна, учитель физики

г. Улан-Удэ

2018 г.

Содержание

Введение                                                                                                                          

1. Этапы развития 3D кино                                                                                    
2. Обзор технологий формирования 3D изображения                                                          

2.1 Стереоскоп                                                                                                                            

2.2 Анаглиф технология (двухцветные 3D очки)

2.3 Поляризационный метод

2.4 Эффект Пульфриха

2.5 Затворный метод

2.6 Шлем виртуальной реальности

2.7 Автостереоскопическая технология (без специальных очков)

3. Создание анаглифной 3D фотографии

3.1 Стереосъемка

2. Объединение ракурсов

4. Изготовление анаглифных 3D очков своими руками.
5. Вывод
6.  Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

3D-формат - это удивительная технология. Обыкновенные телевизоры, те, что стоят в большинстве домов, являются 2D (два измерения). Это означает, что изображение на телевизоре получаются двумя измерениями, ширины и высоты. Последние технологии 3D телевидения представляют изображение с дополнительным измерением - глубиной, чтобы максимально прочувствовать образы, рождающиеся на экране. Фильм в формате 3 D — намного впечатляющее зрелище. Также, в настоящее время очень популярны компьютерные 3 D фильмы, 3D фотографии, 3D игры. Погружение в мир объёмного изображения с помощью достаточно простых приспособлений можно считать настоящим чудом, тем более, когда это удовольствие можно получить сидя на собственном диване. Однако многие зрители жалуются на ухудшение самочувствия: устают глаза, появляется головная боль и слабость в теле.

Когда я начала работать над темой «3D-изображения», то обнаружила огромное количество научной информации по этому вопросу в сети Интернет, которая не очень понятна ребятам моего возраста. Я провела анкетирование среди одноклассников, в котором главными были вопросы: «Понимаете ли Вы технологию образования 3Д-изображения?» и «Нравится ли Вам такой вид просмотра фильмов?». На первый вопрос из 24 опрошенных положительно ответили только 8 % учащихся (2 чел.). Остальные ответили, что имеют смутное представление о рассматриваемой технологии. На второй вопрос был получен 100% положительный ответ, что говорит о существующем интересе. Поэтому в своей работе я попыталась более доступным языком изложить технологию получения 3D-изображения.

Многие производители налаживают выпуск 3D телевизоров, домашних кинотеатров, мониторов для ПК и ноутбуков. Хотим мы того или нет, но 3D видение уже вошло в нашу жизнь и продолжает интенсивно развиваться. Таким образом, актуальность данной работы, в первую очередь, состоит  в необходимости повышения технологической грамотности на фоне массового внедрения в нашу жизнь стереоскопических технологий и устройств.

Объект исследования: технология создания 3 D изображения.

Предмет исследования: 3D изображение.

Цели работы:

1. Изучить технологии получения стереоскопического изображения.
2. Освоить один из способов создания 3D фотографий

Для достижения целей работы необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ литературы по данной теме.
2. Изучить современные технологии создания объемного изображения.
3. Исследовать анаглиф технологию изготовления 3 D фотографий.
4. Изготовить анаглифную 3D фотографию.

В процессе работы использовались следующие методы:

1. Анализ публикаций соответствующей тематики в сети Интернет.
2. Сравнение различных технологий получения стереоскопического эффекта.
3. Обобщение результатов проведенного анализа.

1. Этапы развития 3D кино.

3D-фильмы - это не какая-то особенная новинка, которая появилась и стала внедряться в 21 веке. Если обратиться к истории, то мы увидим, что стереоскопия, благодаря которой и стало возможно 3D кино, появилась еще в 1838 году. 3D кино прошло несколько этапов развития:

1900 - 1946 годы. Этап экспериментирования. Продюсеры, поклонники и изобретатели всех пленок заложили основу для 3D-кино. Некоторые фильмы делались короткими и с небольшим бюджетом для того, чтобы попытаться раскрыть секреты стереоскопического производства.

1950 - 1960. Первый бум. В течение этого десятилетия 3D увидело свой первый бум. Было выпущено более 60 фильмов. Хотя эти фильмы были сделаны по технологии тех лет, 3D исключалось из-за плохих условий просмотра в большинстве кинотеатров и сложности оборудования, требуемого для показа 3D фильмов (серебреные экраны, поляризационные очки, проекторы с двойной синхронизацией, специальные линзы ). В СССР разработана технология СТЕРЕО 70, благодаря которой снято большое количество фильмов, появилась сеть стереокинотеатров, которая пользовалась довольно большим успехом.

1973 - 1985 годы. Почти забытое обычной публикой, 3D кино снова появилось на поверхности, и несколько студий, больших и маленьких, попыталось возродить его. Однако, несмотря на вновь появившийся успех, маленькие картонные очки не взяли вверх, и 3D исчезло снова.

1986 - 2000 годы. 3D Революция. Хотя 3D используется только для специализированной продукции из-за чрезмерных издержек съемок, оно занимает свое место, которое не оставит снова. С начала 90-х годов начинается активное освоение 3D компьютерной графики и переход кино на цифру. Активно ведутся разработки и осуществляются первые внедрения систем виртуальной реальности в военной и промышленной сферах.

2004 -  ……… Технологический прорыв. Наступление технологий компьютерной анимации, цифровых камер и домашних кинотеатров внесло свой вклад в демократизацию стереоскопического производства и просмотра. Потребности в 3D продолжают растиНа стереокино обратили внимание в Голливуде, основные студии стали выпускать версии своих фильмов и мультфильмов в 3D. Появление возможности использовать цифровое оборудование значительно упростило эксплуатацию 3D кинотеатров и снизило их стоимость.

Таким образом, можно смело утверждать, что 3D-кино снималось с самых первых лет существования кинематографа, однако лишь в 21 веке появились технологии массового показа таких фильмов.

1.2 Трехмерное видеоизображение.

3D (3 Dimensions) - трехмерная графика, трёхмерное изображение, совокупность приемов и инструментов (как программных, так и аппаратных), предназначенных для изображения объёмных объектов. Трёхмерная графика обычно имеет дело с виртуальным, воображаемым трёхмерным пространством, которое отображается на плоской, двухмерной поверхности с помощью стереоочков, виртуальных шлемов, 3D-дисплеев.

Основным принципом всех современных 3D-технологий является разнесение изображения отдельно для каждого глаза. В жизни мы видим каждым глазом чуть различную картинку, которая отличается на небольшой угол зрения. Соответственно, мы получаем две слегка различающиеся картинки, которые наш мозг восстанавливает в одну объемную стереоскопическую картинку. Таким образом, 3D-изображение формируется именно мозгом. Когда мы смотрим обычный телевизор или экран, то каждому глазу показывается одинаковая картинка и не возникает объемного стереоэффекта.

2. Обзор технологий формирования 3D изображения.

1.  Стереоскоп.

В 1849 году сэр Дэвид Брюстер изобрел стереоскоп с двумя увеличительными линзами, расположенными на расстоянии 2,5 дюйма одна от другой, то есть на обычном расстоянии между глазами человека. Высоту он ограничил тремя дюймами, и стереоскопом можно было очень легко пользоваться.

До 1853 года стереоскопические снимки делали либо одной камерой, которую устанавливали в паз и по нему сдвигали в сторону, чтобы сделать еще одну экспозицию, либо снимали двумя обычными камерами. В 1953 году в Англии была сконструирована двухлинзовая камера. К 1860 году в немногих домах не было стереоскопа и набора пластин. Сотни тысяч стереографических пластин с видами практически всех уголков земного шара можно было приобрести или заказать по цене сегодняшних цветных открыток.

В век развития цифровых технологий стереоскоп переживает второе рождение.

Преимущество стереоскопа — низкая стоимость. Недостатки — сложность использования.

 2.2 Анаглиф технология (двухцветные 3D очки)

Анаглифические изображения — это картинки со смещенными слоями цветов — синего и красного. Невооруженным глазом на них смотреть не приятно, картинка расслаивается на цвета и каждый объект имеет что-то вроде ауры. Чтобы увидеть изображение рельефным, используются специальные очки, одно стекло которых красное, другое — синее. Стекла иначе называют фильтрами — они фильтруют изображение так, что через красный фильтр не проходит изображение в красном канале, а через синий — соответственно, изображение в синем канале. Так, собственно, и создается стереоскопический эффект. Каждый глаз видит ту часть перспективы, которую позволяет ему фильтр. Часть мозга, отвечающая за зрительное восприятие, соединяет полученную информацию, объясняет для себя различия разницей расстояний, и человек видит объемное изображение. Современные стерео-очки используют красный и сине-зеленый (циановый) фильтры. Циан пришел на смену синему, когда стало ясно, что он способен на лучшую цветопередачу, особенно в том, что касается передачи оттенков кожи.

В анаглифическом исполнении можно показывать фильмы, выпускать видеоигры и т. д. Принцип используют даже военные — НАСА применяет его для получения объемных изображений о Солнце и Марсе.

Недостатки: не подходит для людей не различающих цвета, когда элемент оригинального изображения близок по цвету к одному из фильтров это вызывает зрительный дисбаланс, элемент начинает «мерцать», не все средства воспроизведения анаглифов передают цвета одинаково, кроме того, не всегда совершенны и очки — одни чуть светлее, другие чуть темнее так появляются фантомные изображения, которые мешают восприятию.

Преимущества: низкая стоимость технологии, простота использования стереоскопии, не требуется специального монитора или проектора.

Анаглифические изображения можно создавать с помощью различных компьютерных программ, например, Adobe Photoshop.

2.3 Поляризационный метод

Поляризация — это выделение колебаний одного направления из естественного света. Поляризация света имеет множество интересных применений и одно из них получение стереоскопического эффекта.

Поляризация света позволяет выделить из огромного множества волн, только те волны, которые движутся в заданной плоскости. Выделить нужную нам световую волну возможно при помощи специальных поляризационных фильтров. Очки с такими фильтрами называются поляризационными. Они имеют слегка затемненные стекла (либо пленку) и не затрудняют восприятие цвета.

Для получения стереоскопического эффекта нужно иметь два изображения (то есть либо два проектора либо стереомонитор) с противоположными фазами поляризации и соответствующие очки.

Различают два основных типа таких очков по типу фильтров, используемых в них: с линейной и круговой (циркулярной) поляризацией. Соответственно, проектор также снабжается соответствующими фильтрами, причём оба изображения выводятся на экран одновременно. Поляризующие фильтры в очках "разделяют" единое изображение на две компоненты стереопары: каждый глаз видит только то, что ему предназначается, вторая компонента отфильтровывается полностью.

У круговой поляризации есть определённые преимущества перед линейной: при использовании линейной поляризации, если зритель в линейно-поляризованных очках наклоняет голову, эффект стерео может пропадать. При циркулярной поляризации такого не происходит.

Недостатки: необходимость использования специального "серебряного" экрана, который обладает высокой отражательной способностью или стереомонитора, необходимо наличие двух проекторов, эффект стерео зависит от положения головы зрителя. Преимущества: высокое качество изображения при соблюдении всех условий.

2.4. Эффект Пульфриха

Эта технология может использоваться для получения хороших пространственных картин, но она, строго говоря, не является 3D-видением, поскольку не использует разные картинки для правого и левого глаз.

Эффект Пульфриха (Pulfrich) - это оптическая иллюзия, которая базируется на том факте, что мозг чуть дольше распознаёт тёмные оптические раздражители, чем светлые.

Суть при записи с использованием эффекта Пульфриха состоит в том, что либо снимаемый объект (человек, животное, машина и т.д.), либо камера непрерывно движутся в определённом направлении.

Секрет очков, использующих эффект Пульфриха, заключается в том, что одно стекло затемнено. Хотя оба глаза видят одну и ту же картинку, "затемнённый" глаз передаёт картинку в мозг чуть позже. Мозг "придумывает" соответствующую информацию о глубине, которой на самом деле нет.

2.5. Затворный метод

Основа затворного метода (PageFlip) - разделение вывода ракурсов по времени. Каждый полный кадр, выводимый на дисплей (монитор, проектор, телевизор), ставится в соответствие левому или правому ракурсу. Разделение происходит с помощью очков, которые синхронно затемняют один глаз (если в данный момент на экране выводится правый ракурс, то левый глаз должен быть закрыт, и наоборот). Чем меньше интервалы закрытого состояния шторки очков - тем комфортнее просмотр.

В очки встраиваются жидкокристаллические затворы, которые поочерёдно, с частотой порядка 60 Гц, закрывают правый и левый глаз, в то время как проектор или дисплей, с которыми они синхронизированы, поочерёдно демонстрирует кадры для правого и левого глаза (также с частотой 60 Гц, так что совокупная частота развёртки составляет 120 Гц).

В такие очки также встроен беспроводной приёмник (обычно инфракрасный), который получает сигнал от передающего устройства (контроллера) и тем самым синхронизирует работу затворов со сменой кадров на экране.

К сожалению, такие очки дороже всего в производстве и эксплуатации, требуют собственных источников питания (батареек), но при этом они достаточно надёжны и с ними нет тех проблем, которые возникают с поляризационными очками. Именно на затворные 3D очки делают ставки практически все производители 3D электроники для дома - 3D телевизоров, кинотеатров и персональных компьютеров. Главная проблема - та же, что и у остальных типов очков (кроме анаглифических): потеря воспринимаемой зрителем яркости. Преимущества: качественное отображение, эффект стерео не зависит от положения головы зрителя.

2.6. Шлем виртуальной реальности

Шлем виртуальной реальности — устройство, позволяющее частично погрузиться в мир виртуальной реальности, создающее зрительный и акустический эффект присутствия в заданном управляющим устройством (компьютером) пространстве. Представляет собой устройство, надевающееся на голову, снабженное видеоэкраном и стерео- или квадрофонической акустической системой. Название «шлем» достаточно условное: современные модели гораздо больше похожи на очки, чем на шлем.

В данной стереотехнологии изображение для левого и правого глаза выводится на два LCD дисплея, размещенных прямо перед каждым глазом зрителя на близком расстоянии, таким образом создается объемное изображение. LCD дисплеи имеют маленький размер и невысокое разрешение, но с близкого расстояния эти дисплеи выглядят как большой кинотеатральный экран. Кроме того, шлем может содержать гироскопический или инфракрасный датчик положения головы.

2.7. Автостереоскопическая технология (без специальных очков)

Автостереоскопическая технологии позволяет видеть объемное изображение на мониторе (или на экране) без использования специальных фильтров (очков). В автостереоскопических мониторах это достигается с помощью специальной обработки видео сигнала и оптики (микролинз). Разработка линзово-растровых стереомониторов началась еще в прошлом веке (например, Sharp), качество стереоизображения стало расти с распространением стандарта высокого разрешения (HD). Это связано с тем, что для формирования кодированного многоракурсного изображения требуется разрешение более высокое, чем для каждого из исходных кадров по отдельности: под каждую линзу должны войти элементы всех исходных кадров. Только с появлением возможности передавать и декодировать видео высокого разрешения количества пикселей стало достаточно, чтобы увеличить качество воспроизводимого стерео (3D) эффекта.

Таким образом, при использовании автостереоскопического лантикулярного монитора применяются различные технологии. Требуется специализированная компьютерная обработка видео сигнала (специальные драйвера, софт и контент), необходима высокоточная оптика со специальными свойствами и высокоточная сборка.

Все автостереоскопические мониторы требуют специального контента. В настоящее время нельзя по 3D монитору смотреть телевизор или обычное видео.

3. Создание анаглифной 3D фотографии.

Изучив литературу и источники сети Интернет,  я выяснила, что 3D фотографии можно сделать своими руками. Я решили исследовать анаглифную технологию получения 3D изображения и самостоятельно изготовить анаглиф фото. Весь процесс состоит из двух этапов: стереосъемка и объединение ракурсов.

Этап 1 Стереосъемка

Как уже говорилось ранее, принцип стереофотографий основывается на том, что мы видим окружающие предметы двумя глазами. Изображения, полученные каждым глазом, немного отличаются из-за параллакса (предметы смещены относительно друг друга), мозг получает их и преобразует в одну объемную картину. Вот и выходит, что для достижения объемного 3D эффекта нужно смоделировать описанное выше. Для этого необходима съемка с двух точек, а потом и объединение полученных фотографий в одну, но так, чтобы каждый глаз мог видеть только предназначенное для него изображение.

Мы видим окружающий нас мир с двух точек сразу (два глаза), мозг получает две картинки, которые он преобразует в одну объемную. Если быстро открывать и закрывать поочередно левый и правый глаза, то объекты перед нами будут перемещаться влево – вправо – влево:

Рис. 1

В стереоизображении все происходит так же - методом анаглиф, одним из методов просмотра стереопар или другими методами нам демонстрируют два ракурса одной сцены.

Профессионалы для 3D съемки создают специальные системы из двух фотоаппаратов, называемых фотоспарками. Я использовала одну фотокамеру. Поэтому мне необходимо было делать два снимка одного и того же предмета, но со смещением. Иными словами, чтобы получить два ракурса одного предмета, нужно сфотографировать его с двух точек.

Существует два метода стереосъемки – параллельный и направленный. Каждый из этих методов удобен в определенных условиях съемки. Имеет свои преимущества и недостатки.

При съемке параллельным методом камеры закреплены без поворота, оси объективов параллельны. При направленном методе фотоаппараты повернуты друг к другу под таким углом, чтобы оси объективов пересекались в точке, в которой расположен центральный объект съемки, т.е. в точке нулевого параллакса. Направленный метод подобен глазам человека, направление которых пересекаются на рассматриваемом объекте.

Преимуществом параллельного метода является его простота, не требуется поворота камеры и настройки углов, нужно лишь выставить необходимую стереобазу. Стереопара снятая этим методом требует дополнительной обработки

В направленном методе все наоборот, процесс съемки усложняется, а обработка фотографий облегчается.

Мы выбрали параллельный метод съемки. Сама съемка производилась по следующей схеме:

У нас в наличии была одна фотокамера, поэтому она по очереди заменяла левый и правый глаз.

1. Съемка производилась с двух точек. Точка 1 соответствовала левому глазу, а точка 2 правому. Расстояние между точками 1 и 2 это стереобаза и равно 3 сантиметра.
2. Схему аккуратно начертили карандашом на столе. И сделали метку на фотоаппарате.
3. Совместили точку 1 и метку фотоаппарата и сделали снимок для левого глаза. Затем совместили метку фотоаппарата и точку 2 и сделали снимок для правого глаза.

Этап 2 Объединение ракурсов

После стереосъемки я получила два ракурса одного предмета, теперь нужно объединить их одну 3D фотографию. Для этого использовала специальную программу для создания 3D стереофото: StereoPhoto Maker. Процесс изготовления 3D стереофотографий при помощи этой программы не сложный и сводится к следующим этапам:

1. Загружаем в программу левый и правый ракурсы.
2. Нажатием специальной кнопки выполняем автоматическое выравнивание.
3. Соединяем ракурсы в анаглиф стереофотографию.
4. Выбираем вариант формата анаглиф и сохраняем результат.

Теперь,  используя красно-синие анаглифные очки, мы можем просмотреть результат. Такие очки можно изготовить самостоятельно.

4. Изготовление анаглифных 3D очков своими руками.

Чтобы изготовить 3D очки потребуется:

1. ненужная оправа для очков или можно вырезать ее из бумаги или картона;
2. спиртовые маркеры: красный, зеленый и синий;
3. ножницы;
4. твердая прозрачная пленка;
5. клей или скотч.

Теперь приступим к работе:

1. Вырезать линзы из пленки по контуру вашей оправы (для картонной вырежьте чуть больше, чем отверстия для глаз).

Важно: Для левого глаза, как правило, применяется красный цветофильтр, для правого сине-зеленый!

2. Покрасим с обеих сторон красным маркером будущий фильтр для левого глаза. Чтобы добиться равномерной покраски, можно вынуть стержень из маркера и выдавить чернила на пленку, либо выдавить чернила на какую-нибудь пластинку и аккуратно положить сверху пленку так, чтобы она полностью окрасилась.
3. Чтобы сделать фильтр для правого глаза, покрасим одну сторону линзы синим маркером, другую - зеленым.
4. Ждём, когда краска полностью высохнет, а спиртовой краситель испарится.
5. Вклеим фильтры в оправу или можно зафиксировать их скотчем.

В результате я изготовила 3D- очки.  Эти очки, изготовленные своими руками, отличаются от фабричных своим качеством, но проверить эффект от 3D стереофотографии можно. Важно помнить, что анаглифные очки будут работать только с изображениями и фильмами в аналогичном формате. На новых 3D-телевизорах работать они, к сожалению, не будут.

ВЫВОД

Изучив большое количество разнообразного материала статьи критиков, статьи-обзоры, посетив сайты производителей современной техники, я пришли к следующим выводам. Технологии 3D бурно развиваются во всем мире. Однако, еще нет единой технологии и единого формата 3D, которая была бы стандартом для всех устройств отображения информации. Сейчас представлено несколько технологий, которые динамично развиваются. Из наиболее распространенных и известных можно выделить четыре технологии:

• Анаглиф (сине-красные очки).
• Пассивная стерео технология (поляризация);
• Активная стерео технология (затворные очки);
• Автостереоскопические технологии (без специальных очков);

Одним из основных направлений разработок новых качеств мониторов является 3D эффект. Особенно привлекательным является создание 3D эффекта на мониторе без специальных очков. У каждой из рассмотренных технологий есть свои положительные и отрицательные стороны.

В ходе выполнения данной работы я исследовал анаглиф технологию изготовления 3-D фотографий. Научилась работать со специальной программой для создания 3D изображений. Используя полученные знания, я сумела получить 3D изображение и изготовила 3D очки. Таким образом, цели работы достигла.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. http://www.thg.ru/display/20040306/stereo-3d-01.html (обзор технологий 3D)
2. http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B5%D0%BE%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%BF(стереоскоп)
3. http://www.mir3d.ru/articles/15993/ (поляризационный метод)
4. http://glinka3d.ucoz.ru/publ/1-1-0-1 (эффект Пульфриха)
5. http://www.sview.ru/ru/help/devices/pageflip/ (затворный метод)
6.  http://ve-group.ru/shlemyi-virtualnoy-realnosti-obzor-samyih-populyarnyih-ustroystv/  (шлем виртуальной реальности)
7. http://www.hwp.ru/articles/3D_televizori_segodnya/ (автостерескопическая технология)
8.  http://www.orgprint.com/wiki/3d-pechat/obzor-tehnologij-3D-pechati  (обзор технологий 3D)