Многие исторические процессы подчиняются демографическому ритму смены поколений: в частности, волны интереса к стереоскопии охватывают человечество с периодичностью в 20-30 лет. Одна из первых и наиболее мощных таких волн относится к началу 1890-х годов. Тогда стереоскопы для разглядывания репродукций объемных фотографий имелись во всяком культурном семействе и на любой простонародной ярмарке. Удастся ли сегодняшним производителям 3D-проекторов, 3D-телевизоров и прочих стереоскопов» на современной электронно-цифровой базе превзойти и закрепить показатели 120-летней давности? Законы конкурентной борьбы вынудили практически всех крупных изготовителей бытовой электроники и компьютерной техники сделать ставку на 3D. На сей раз инвестиции оказались нешуточными: вместо мануфактур, выпускающих копеечные картонные очки, на наших глазах возводится обширная экосистема, охватывающая 3D-теле-студии и кинокомпании, а также производителей программных и аппаратных средств доставки 3D-контента потребителям. Отдельные открываемые при этом вновь рыночные ниши весьма экзотичны. Чего только стоит недавно заработавший в Лас-Вегасе ночной клуб Lolita’s Cantina с виртуальными 3D-стриптизершами или голографические проекторы, по слухам, исследуемые американскими ВВС в качестве средства устрашения и дезориентации противника!
Насколько вероятно катастрофическое крушение ожиданий в связи с «откатом к 2D»? Ведь случись он, и многие заговорят о «пузыре Аватара» примерно в тех же выражениях, в коих недавно было принято сетовать на переоцененную недвижимость. Ответ прояснится уже в ближайшие годы. Сегодня же можем лишь попытаться оценить эту опасность путем сопоставления ряда дурных и обнадеживающих предзнаменований.
Дурные предзнаменования
Вероятно, наиболее заметным из феноменов, достойных упоминания в данном разделе, является зловещий спад прибыльности 3D-фильмов, вышедших в прокат в фарватере «Аватара». Некоторые эксперты полагают, что остужение энтузиазма вызвано не столько пресыщенностью публики объемными картинками, сколько их низким стереографическим качеством. Впрочем, нет ничего удивительного или неожиданного в желании кинопредпринимателей состричь немного купонов в завоеванном Кэмероном кредите зрительского доверия. Притчей во языцех стал фантастический боевик «Битва титанов», с легкой руки Кэмерона окрещенный «2,5D-фильмом»: решение о его «стереоскопизации» было принято не на этапе написания сценария и даже не в процессе съемок. Объемность материалам, полученным посредством традиционных камер, была придана лишь в ходе пост-продакшна, в результате чего изображение приобрело «картонный» вид, напоминающий о детских книжках-раскладках.
Растут опасения, что давно уже предвкушаемая армией восторженных поклонников «Звездных войн» объемная версия сериала внесет скорее отрицательный вклад в дело популяризации 3D-технологий, ведь использованные в них монтаж, кадрирование, постановка света и множество прочих тонкостей 3D-кинопроизводства недотягивают до установленных «Аватаром» и «Коралиной» стандартов.
Так или иначе, перед большими 3D-кинотеатрами маячит черная полоса. А ведь они при всех своих проблемах обеспечивают существенно лучшее качество 3D-изображения, чем типичный современный домашний 3D-кинотеатр.
В отличие от телевизоров проекционные системы позволяют свести практически на нет так называемое двоение (утомляющий зрение и разрушающий стереоиллюзию артефакт, вызываемый недостаточным разделением компонентов стереопары, при котором картинка, предназначенная для левого глаза, частично попадает в правый и наоборот). Это достигается благодаря обработке изображения с помощью пропагандируемого компанией RealD метода Ghost-busting (в его рамках компоненты стереопары подвергаются предварительному взаимному попиксельному вычитанию с учетом характеристик экрана и прочих элементов проекционной системы). Из-за различных межзрачковых расстояний у взрослых и детей скромные размеры 3D-телевизоров хуже подходят для семейных кинопросмотров. Чтобы понять характер этой проблемы, проанализируем задачу корректного отображения бесконечно удаленного объекта (к примеру, звезды) от взрослого и ребенка, чьи межзрачковые расстояния составляют 68 и 45 мм. Ясно, что дистанция между составляющими стереопару изображениями звезд на экране не может превышать 45 мм, иначе ребенку придется противоестественным образом разводить глаза в стороны, а это чревато самыми неприятными ощущениями. Несложные геометрические выкладки показывают, что у взрослого зрителя, находящегося в двух метрах от телевизора, сложится впечатление, будто действие космического боевика разворачивается в игрушечном мирке, ограниченном небесной сферой шестиметрового радиуса. Двадцатиметровое же удаление от экрана (типичное для кинозала) отодвигает край иллюзорного мира от взрослого на 43 м (этого вполне достаточно, ибо предельное расстояние, вычисляемое нашей зрительной системой по углу конвергенции, оценивается 30 метрами).
Системы с активными 3D-очками
Однако большинство проблем домашнего 3D-кинотеатра коренится в относительно высокой инерционности жидкокристаллических и плазменных панелей и несовершенстве активных стереоочков. Объявляемые производителями телевизоров запредельно высокие частоты регенерации служат типичным примером использования магии больших чисел в маркетинговых целях: на деле очередной кадр на экране «разогнанного» ТВ заменяет предыдущий не мгновенно, а как бы рисуется поверх него полупрозрачными красками. Поэтому попытка синхронизации ЖК-затвора активных очков с 600-герцевой частотой кадровой развертки привела бы к недопустимо сильному двоению. Разработчикам приходится искусственно понижать скорость чередования компонентов стереопары, изображая каждый из них по нескольку раз, прежде чем следы предыдущей картинки в достаточной мере изгладятся (фирменные алгоритмы компенсации движения, служащие главным обоснованием преимуществ высокочастотной развертки, при этом, естественно, отключаются).
Недостаткам же активных очков поистине несть числа. Они малопрозрачны (в открытом состоянии пропускают чуть более трети светового потока), громоздки, требуют подзарядки и периодической смены аккумуляторов по мере утраты ими емкости. Они интерферируют с флуоресцентными лампами, а также дисплеями (и трехмерными, и обычными), если в помещении их установлено несколько. Они отказываются работать в прямых солнечных лучах, блокирующих их фотоэлемент. Кроме того, они взаимонесовместимы. То есть вам не удастся сходить на 3D-киновечеринку к обладателю 3D-телевизора Philips, если ваши очки – марки Sony. Хотя в настоящее время у Samsung есть договоренность о стандартизации очков с Mitsubishi, а у Panasonic – с Toshiba, остальные производители шествуют своими путями. Но и это еще не все!
Мерцание активных очков чревато разрушением стереоиллюзии и вредит глазам. Абсолютное их большинство работает на частоте 120 Гц, при которой каждый глаз пользователя воспринимает 60 кадров в секунду. По сравнению с традиционными 24 кадрами (не вызывающими у кинозрителей нареканий последние 80 лет) такая частота представляется более чем достаточной. Увы, в отличие от обычных кинопроекторов, генерирующих почти непрерывный поток света, экраны 3D-телевизоров действуют на фоторецепторы сетчатки подобно булавочным уколам: в течение примерно двух третей продолжительности киносеанса глаз зрителя оказывается погруженным во тьму. Отчасти это время тратится на обслуживание второго глаза, а отчасти — на блокирование мешанины из двух компонентов стереопары, периодически появляющейся на экране из-за его инерционности. В переходный период зрителя приходится ослеплять на оба глаза. Поскольку ЖК-затвор перекрывает свет не полностью, он частично достигает сетчатки, усугубляя двоение. В системах Sony (и ряде других) используется периодическое отключение светодиодов задней подсветки, что уменьшает двоение, зато делает мерцание еще заметнее.
Парадоксально, что особенно сильный дискомфорт вызывается просмотром динамичных сцен, в избытке содержащихся в зрелищных фильмах и спортивных телепрограммах, т. е. в том самом материале, ради которого преимущественно и приобретаются 3D-телевизоры! Последствия данного парадокса можно найти в перечне побочных эффектов, недавно опубликованном на сайте одного из производителей 3D-ТВ. Вот несколько выдержек из этого душераздирающего документа: «Беременным, страдающим бессонницей, а также лицам, находящимся под воздействием сильнодействующих медикаментов и алкоголя, надлежит воздерживаться от использования телевизора в режиме 3D [...] Просмотр телевизора в режиме 3D может вызывать укачивание, продолжительные дефекты восприятия, дезориентацию, перенапряжение зрения, дестабилизацию осанки, судороги, головокружение, тошноту [...] При проявлении любого из этих симптомов просмотр следует немедленно прекратить. Возобновление просмотра допустимо не ранее чем спустя 30 мин после исчезновения всех болезненных симптомов [...]».
Несмотря на все изъяны, системам с активными стереоочками удалось одолеть две конкурирующие технологии: около двух лет назад со сцены сошли автостереоскопические дисплеи с лентикулярными фильтрами, а в прошлом году индустрия отступилась от массовой коммерциализации систем с чересстрочной поляризацией и пассивными 3D-очками (в настоящее время на рынке представлен единственный телевизор такого типа – LG 47LD950). Но эти технологии стоит рассмотреть немного подробнее (ведь, как будет показано ниже, их поражение вряд ли является окончательным).
Системы с пассивными 3D-очками
Пассивные очки гораздо (примерно на два порядка) дешевле активных и несравненно удобнее. Платой за избавление от мерцания, как и от многих других проблем, оказывается двукратное понижение вертикального разрешения изображений, воспринимаемых каждым глазом (540 строк, что на 36 меньше, чем в системе PAL SD, считающейся ныне пережитком прошлого!). Более того, картинка в стандартном разрешении выглядит предпочтительнее «чересстрочного 3D» из-за наличия в последнем «чересполосицы», отчетливо различимой даже на небольших экранах.
Проблема двоения в данных системах обостряется при вертикальных отклонениях точки зрения: поляризационный фильтр не может иметь идеальной нулевой толщины, в итоге зритель, взирающий на экран сверху вниз или снизу вверх, рискует увидеть часть четной строки ЖК-панели сквозь нечетную полосу фильтра.
В 2D-режиме системы с пассивными 3D-очками проигрывают традиционным телевизорам в экономичности (поляризационный фильтр поглощает большую часть светового потока, и яркость задней подсветки в них приходится существенно увеличивать).
Системы с лентикулярными фильтрами
Согласно результатам недавних социологических исследований, значительная часть американских потребителей протестует против ношения 3D-очков любого типа по довольно неожиданной причине: они подозревают, что очки помешают им отвлекаться от просмотра телевизора на такие задачи, как чтение журналов и… пользование мобильным и гаджетами для обмена мгновенными сообщениями. Впрочем, если twitter решил исход президентских выборов, почему бы ему не повлиять и на эволюцию систем 3D-телевидения? Так или иначе, освобождение от очков – главный козырь автостереоскопических систем, среди которых наивысшим коммерческим потенциалом обладают дисплеи с лентикулярными фильтрами.
Платить за свободу приходится многократным снижением пространственного разрешения (особенно горизонтального), а также узким сектором обзора, в типичном случае составляющим 20°. Хотя, указывая угловой размер сектора, производители несколько лукавят: правильнее говорить о 20-градусной дуге, вдоль которой следует рассаживаться всем желающим увидеть лишенное артефактов изображение: ведь для того чтобы глаза зрителя с наибольшей вероятностью восприняли пару смежных ракурсов, он должен отдалиться от цилиндрических микролинз на расстояние, определяемое отношением его межзрачкового расстояния к синусу угла между ракурсами. По мере приближения к экрану зритель повышает вероятность пропустить несколько ракурсов (что чревато искажением глубины отображаемой сцены), а по мере отдаления от него – рискует увидеть один-единственный ракурс (и тогда изображение покажется ему плоским). В 2D-режиме из-за своего низкого разрешения дисплеи с лентикулярными фильтрами не выдерживают никакой конкуренции.
Теперь вернемся к системам с активными очками. Секрет их успеха заключен в двух отчасти взаимосвязанных достоинствах, существенность которых побуждает нас предварить их обсуждение новой рубрикой:
Быть!
Самое очевидное преимущество 3D-дисплеев с активными очками, не требующими использования дорогостоящих фильтров, – их доступность. В настоящее время разница в цене 2D- и 3D-ready-телевизоров со сходными характеристиками («3D-ready» – маркировка 3D-аппаратов, очки к которым предлагается покупать отдельно) оценивается всего лишь в $100. И весьма вероятно, что скоро этот показатель заметно сократится (впрочем, по мнению аналитиков-пессимистов, ставка на наиболее дешевую и наименее эргономичную 3D-технологию на начальных этапах маркетингового штурма является больше недостатком, ведь общее разочарование первой волны покупателей-технофилов может отпугнуть основную массу потребителей).
Второе же преимущество телевизоров и компьютерных мониторов данного типа состоит вот в чем: в 2D-режиме они ровным счетом ничем не уступают традиционным моделям.
Хотя эти их свойства не имеют прямого отношения к качеству 3D-изображения, они предвещают куда более быструю и безболезненную миграцию с 2D на 3D, чем переход от черно-белого телевидения к цветному (или от SD к HD). Рискнем предположить, что независимо от вашего отношения к 3D-ТВ и кинематографу ваш следующий телевизор скорее всего будет стереоскопическим. Сходным образом и ваш очередной мобильный телефон обречен поддерживать систему быстрого набора текстовых сообщений Т9, даже если вы испытываете к ней антипатию: зная, что определенная часть потребителей приветствует Т9-совместимость, производители без колебаний реализуют ее во всех аппаратах без исключения. Почему бы и нет? Ведь ни им, ни вам это почти ничего не стоит!
Описанные выше удручающие недостатки систем с активными очками не исключают возможности их эволюционного развития. Вероятно, в ближайшие годы между производителями развернется борьба за сокращение продолжительности переходного периода и повышение частоты работы ЖК-затворов, имеющее целью сделать мерцание менее заметным. Приготовительные военные маневры на этом фронте уже начались: Panasonic объявила о троекратном снижении инерционности фирменных плазменных панелей за счет внедрения новых люминофоров, а Toshiba инвестирует средства в развитие технологии OCB (Optically Compensated Bend), подходящей для улучшения динамических характеристик как ЖК-панелей, так и затворов активных очков. Некоторые из исследуемых производителями дисплеев MEMS-технологий весьма привлекательны для построения систем с активными 3D-очками в силу своей очень малой инерционности.
Долгосрочная 3D-перспектива
Наиболее весомым фактором эволюционного развития массовых 3D-технологий в долгосрочной перспективе станет увеличение плотности пикселов ЖК- и прочих дисплейных панелей. Оно позволит маскировать (а то и полностью устранить) проблемы, связанные с разрушительным действием лентикулярных и поляризующих фильтров на пространственное разрешение изображения. К примеру, дисплейная панель стандарта QHD (3840×2160 пикселов) может стать основой системы с чересстрочной поляризацией, обеспечивающей бескомпромиссное воспроизведение каждого из компонентов стереопары в формате HD.
Отметим, что уплотнение пикселов – объективный процесс, родственный закону Мура. Поскольку рядовым пользователям систем с активными очками он не сулит существенных преимуществ, мы вправе предположить, что время будет работать на конкурирующие 3D-технологии.
Разрабатываемая при поддержке японского правительства и под эгидой национальной вещательной корпорации NHK система сверхвысокого разрешения SHV (Super Hi-Vision), обеспечивающая разрешение 7680×4320, создает предпосылки для коммерциализации так называемых Integral 3D-дисплеев.
Главной трудностью для построения интерактивного Integral 3D-дисплея является колоссальный объем графической информации, требуемой для формирования каждого кадра.
Однако самыми требовательными к вычислительной мощности являются голографические дисплеи. В числе организаций, выделяющихся на переднем фланге прогресса в данной области, назовем частично финансируемую агентством DARPA американскую Zebra Imaging, лидирующую в производстве цифровых голограмм на пластиковой основе, а также группу японских разработчиков серии специализированных суперкомпьютеров HORN (HOlographic ReconstructioN), недавно доведших скорость регенерации черно-белых сцен, построенных из миллиона 3D-точек, до частоты одного кадра в секунду.
Более детальное обсуждение цифровой голографии плохо вписывается в обзорную журнальную публикацию: во-первых, приемлемость голографических дисплеев для массового рынка вызывает сомнения ввиду категоричности, с которой разработчики уподобляют их «окну в заэкранное пространство». Согласитесь, что наблюдение за вселенной «Аватара» через окно с метровой диагональю грозит вылиться то ли в битву за место у «подоконника», то ли в низведение эпохальных деяний до кукольных масштабов.
Во-вторых, по прошествии 20 лет с момента демонстрации сотрудниками MIT первого интерактивного голографического дисплея качество изображений, воссоздаваемых устройствами такого типа, продолжает оставаться весьма далеким от уровня, пригодного для какой бы то ни было коммерциализации вообще. Поскольку интерактивная голография слишком удалена от нас во времени, вернемся к событиям более близкого будущего, в котором ждут весьма вероятные...
Революционные потрясения
Технологии 3D-визуализации подобны молодой планете, облик которой то и дело меняется из-за внезапных всплесков вулканической активности, поэтому достоверность намеченных предыдущей рубрикой прогнозов о плавном стремлении к терапиксельным дисплейным панелям не стоит переоценивать. Ведущиеся в лабораториях крупных игроков и стартапов разработки могут привести к потрясениям, способным поколебать установившуюся иерархию 3D-технологий задолго до того, как форматы QHD и SHD получат широкое распространение. Не претендуя на полноту охвата, упомянем отдельные из них.
Ряд компаний, включающий венгерскую Holografika, сингапурскую Sunny Ocean Studios и британскую Ocuity, демонстрируют многообещающие идеи в области совершенствования лентикулярных фильтров и алгоритмов редактирования изображений. Последняя разработала композитные лентикулярные фильтры, оптические свойства которых управляются электрическим напряжением, что позволяет автостереоскопическим 3D-дисплеям не терять разрешения в 2D-режиме.
Группа исследователей из MIT добилась впечатляющей точности в определении координат глаз пользователей с помощью обращенных в зрительный зал инфракрасных камер. Такие камеры уже давно применяются в 3D-дисплеях, оснащенных лентикулярными фильтрами и параллаксными барьерами различных типов, однако их потенциал далеко не исчерпан. В сочетании с технологией Integral 3D они могут избежать разбазаривания вычислительных ресурсов и энергии, затрачиваемых на генерирование избыточной графической информации и подсветку. Ведь в конечном счете реальная потребность в количестве ракурсов всегда в точности равна удвоенному числу присутствующих в помещении наблюдателей.
Экзотическое явление микростереопсиса, пристально изучаемое в лабораториях Sony и многих других компаний, при правильной организации маркетинга способно изрядно размыть границу между 2D- и 3D-дисплеями. Микростереопсис предполагает использование камер с экстремально малыми стереоскопическими базами (порядка 1 мм), что делает компоненты получаемой стереопары пригодными для рассматривания без потери качества на обычном 2D-мониторе в виде суперпозиции. Легкая расфокусировка объектов, оказывающихся в стороне от экранной плоскости, воспринимается при этом как изобразительный эффект, облегчающий концентрацию внимания на ключевых элементах сцены. При рассматривании же в 3D-режиме такие изображения предоставляют зрительной системе достаточно информации для восстановления глубины, сводя практически на нет утомляющее воздействие двоения и конвергентно-аккомодационного конфликта. Последний при просмотре обычного 3D-фильма обусловливается противоестественностью сочетания тонуса двух групп глазных мышц, одна из которых отвечает за кривизну неизменно сфокусированных на плоскости экрана хрусталиков, а другая — за взаимную ориентацию глазных яблок, меняющуюся в зависимости от расстояния до рассматриваемых объектов.
Заключительное предостережение
Кстати, вредоносность конвергентно-аккомодационного конфликта является одним из наиболее часто приводимых доводов о необходимости отказа от традиционных 3D-дисплеев в пользу Integral 3D и голографических технологий. Однако прежде чем для такого отказа созреют материальные предпосылки, человечеству придется мириться с данным конфликтом в течение не менее чем десяти лет. Есть мнение, что при условии широкой популярности 3D-кино и телевидения этого времени может хватить для выработки «противоконфликтного иммунитета» (известно, что большинство пользователей бифокальных и мультифокальных очков успешно преодолевают схожую проблему). Иммунитет, в свою очередь, снизит востребованность голографических дисплеев.
Выходит, что чем популярнее станут 3D-технологии, тем медленнее они будут совершенствоваться? Этот парадокс — хороший повод вспомнить, что нынешняя тема недели отнюдь не ограничивается техническими аспектами, на которых мы вынуждены концентрироваться в силу тематики нашего журнала. Любое претендующее на полноту обсуждение 3D-технологий должно лежать на стыке техники, физиологии, психологии и искусствоведения.