Что такое поляризация компьютерного изображения
Человеческий глаз и 3D
Для начала давайте разберемся, как же вообще наш мозг может «обмануться» и воспринять обычную плоскую картинку в качестве трехмерной. Сразу хочу сказать, что подобных способов несколько. Например, 3D-изображение можно создать игрой света и тени или особым расположением элементов картинки. Но в компьютерных устройствах обычно используется несколько иной принцип. Дело в том, что у человека два глаза, каждый из которых смотрит на мир под своим углом. Информация, получаемая обоими глазами, обрабатывается мозгом и «сливается» в одну картинку. Именно этот факт и используют разработчики в своих целях. Оказывается, достаточно просто показать каждому глазу свое, специальным образом рассчитанное, изображение. Мозг анализирует полученную информацию и «обманывается», создавая у человека впечатление трехмерности увиденного.
Две картинки
Первый и самый очевидный способ, который приходит в голову для реализации «двуглазого» принципа — это простое разделение картинок. Достаточно предоставить каждому глазу свой собственный монитор, на котором и показывать нужное изображение. Этот способ был назван методом пространственного разделение. На нем основывается множество устройств различных компаний. Наибольшее распространение получили всем известные шлемы виртуальной реальности, которые по-научному называются HMD — Helmet Mounted Display. Главный плюс HMD — полное погружение в виртуальную реальность, которое используется во многих областях, начиная с компьютерных игр и заканчивая шлемами для пилотов боевых истребителей.
Всевозможные стереоскопические шлемы (Helmet Mounted Display) — излюбленная схема конструкторов и фантастов.
Но не только шлемы виртуальной реальности основаны на принципе пространственного разделения. Во многих специальных областях и научных исследованиях применяются BOOM-дисплеи (Binocular Omni-Orientation Monitor). В принципе, эти устройства внешне очень похожи на обычные бинокли. Только зачастую их устанавливают на специальных «журавлях», увешанных датчиками, которые следят за положением устройства в пространстве.
Цвет цвету рознь
Кстати, а вы знаете, что первые трехмерные картинки были созданы аж в 1858 году? Именно тогда француз Джозеф д’Альмедиа изобрел первый метод создания 3D-изображений — цветовое мультиплексирование. В основе этого принципа лежит использование двуцветных картинок. Причем на каждой картинке совмещены два изображения: одно для левого глаза, другое для правого. Отличаются они друг от друга цветом, одно из них синее, другое красное. Для того, чтобы человек увидел трехмерную картинку, он должен надеть специальные очки. Вместо линз в них установлены соответствующие светофильтры. В результате глаз, смотрящий через синее стекло, видит синюю картинку, но не замечает красную. Точно так же второй глаз видит красную картинку, но не замечает синюю.
К сожалению, подобная технология практически не нашла применения в компьютерных устройствах. Дело в том, что глаза каждого человека по-своему воспринимают цвета, в результате чего некоторые люди вообще не видят стереоэффекта, а другим приходится долго всматриваться в изображение. Естественно, не стоит забывать и о том, что современного пользователя нельзя привлечь двуцветными картинками, им подавай как минимум 16-битный цвет. Так что технология цветного мультиплексирования была признана несовершенной.
Открыто, закрыто…
Не так давно был разработан еще один принцип трехмерного восприятия изображений, который применяется в большинстве современных устройств. Называется этот способ временное мультиплексирование. В нем тоже применяются специальные очки, только в них используются не линзы, а оптические затворы. Но не путайте эти затворы с теми, что стоят внутри фотоаппаратов. Предназначение у них одно, но принципы действия совершенно различны. Если в фотоаппаратах используются механические шторки, то в 3D-устройствах применяются жидкие кристаллы, которые при поляризации становятся непрозрачными. На компьютер устанавливается специальная программа, которая по очереди показывает изображение для правого и левого глаз. В то время, когда показывается «правая» картинка, затвор на левом глазу закрывается, а когда «левая» — закрыт правый глаз. Изображения чередуются с большой частотой, и у человека создается впечатление, что он смотрит обоими глазами одновременно.
К плюсам временного мультиплексирования можно отнести высокое качество полученного объемного изображения. При использовании этого способа не возникает абсолютно никаких геометрических или цветовых искажений. Правда, недостатки у подобных систем тоже есть, и достаточно существенные. Так, например, частота кадров картинки снижается вдвое, так как за одно и то же время нужно успеть вывести в два раза больше картинок. Естественно, можно попытаться увеличить частоту регенерации монитора, но на ЭЛТ это не получается из-за эффекта послесвечения люминофора. С ЖК-панелями дело обстоит получше, но они все еще остаются не доступными подавляющему большинству пользователей. Да и сами устройства, использующие принцип временного мультиплексирования, достаточно дороги.
Конечно, были попытки удешевить технологию временного мультиплексирования, чтобы сделать ее доступной для рядовых пользователей. Так, например, специалисты из компании Tentronix предложили специальную панель, которая навешивается на монитор, и выполняет функцию затвора. Принцип действия точно такой же, как и в обычных устройствах — жидкие кристаллы. Правда, пользователям все равно нужны очки, только их устройство уже гораздо проще. Конечно, эта разработка не получилась дешевле других, но зато она гораздо удобней в использовании. Например, очки теперь стали не такими тяжелыми и громоздкими, а еще панель более долговечна, очки же дешевы, и заменить их не сложно.
Обойдемся без очков
Все вышеописанные технологии требовали от пользования надевания на голову различных устройств. К счастью, в последнее время это стало совсем необязательно: появились стереоскопические дисплеи, при использовании которых не нужны ни очки, ни шлемы. Все эти устройства основаны на одном принципе — мультиплексирование по направлению. В этом принципе использован тот факт, что глаза человека смотрят на объект под разным углом. Поэтому, если взять два изображения на одном экране, и сделать так, чтобы каждое из них было видимо только под определенным углом, можно добиться трехмерной картинки. Кстати, если на экране совместить не два, а, несколько изображений, то у пользователя появится возможность наблюдать за объектом с разных сторон.
3D из нашего детства
Помните, когда мы были детьми, продавались стереоскопические календарики? Для тех, кто этого уже не застал, объясню. Календарики эти представляли собой рельефные карточки с нанесенным специальным образом изображением. Если смотреть на картинку под одни углом, видишь одно, а под другим — другое. Это достигалось за счет особого рельефа поверхности, который представлял собой чередование призм и линз. Подобный принцип используется и в наиболее распространенных автостереоскопических дисплеев.
Содержание
Нет, с аппаратом все в порядке. Стоит снять очки и изображение возвращается на место, но разглядеть что-либо через любимый полароид невозможно. Даже если выкрутить яркость на максимум, дисплей выглядит темным, фиолетовым или даже совершенно черным. Этому доставляющему неудобства эффекту подвержены самые разные электронные устройства: смартфоны, планшеты, ноутбуки, мониторы и даже банкоматы и аппараты по продаже билетов.
Виноват поляризационный фильтр.
Что такое поляризация?
Наверняка вы слышали о поляризованных солнцезащитных очках, если сами не пользуетесь сами продукцией Polaroid. А задумывались ли вы, что в них особенного, как работает и где еще применяется эффект поляризации?
Вероятно, для вас станет сюрпризом, что поляризационные фильтры встроены практически в каждый дисплей. Убедиться в этом несложно: достаточно надеть хорошие солнцезащитные очки и повертеть в руках смартфон или взглянуть на монитор под углом. Но то, как поляризация связана с эффектом «черного зеркала», возникающего в эти моменты, не понять без дополнительных объяснений.
Ученый расскажет вам, что свет имеет корпускулярно-волновую природу, но это довольно сложная и запутанная концепция. Для объяснения того, что такое поляризационный фильтр и зачем он нужен, достаточно упрощенного объяснения, не подразумевающего серьезной лекции по физике.
Свет проявляет одновременно и свойства потока частиц, и свойства волны. Для наших целей, можно представить, будто он состоит из отдельных фотонов, которые движутся в пространстве колеблясь, будто на гребне волны. Вектор этого изгиба как-то расположен в пространстве. Исходящий от солнца естественный свет раскаленных докрасна тел и других естественных источников состоит из хаотично расположенных волн, в которых не прослеживается закономерностей. Встречаясь с различными отражающими поверхностями, световые волны начинают колебаться более упорядоченно, обычно горизонтально. Таковы, например, блики на поверхности озера или кузове автомобиля.
Что такое поляризационный фильтр?
Поляризационные фильтры поглощают световые волны, которые колеблются вдоль определенной оси, а остальной свет пропускают без препятствий. Еще до того, как явление было описано учеными, в качестве поляризационных фильтров использовали тонкие пластины турмалина. У нас нет достоверных доказательств, но некоторые историки считают, что викинги использовали их для навигации. «Солнечные камни» помогали разглядеть светило сквозь туман и тучи, чтобы определить направление.
Подходящие минералы-поляризаторы, бывшие тогда большой редкостью и высоко ценившиеся, больше не используются в таком качестве. Еще с конца XX века благодаря химии производство линейных поляризаторов, в том числе и для солнечных очков, сильно удешевилось. Сегодня для изготовления поляризационных фильтров применяют пленки на основе особых кристаллов. Обычно в их основе — герапатит или другие сложные соединения йода.
Фильтры поляризующих солнцезащитных очков поглощают горизонтально-ориентированные волны. Изображение становится темнее, но, поскольку через фильтр продолжают проникать вертикально-ориентированные волны, вы по-прежнему можете видеть, а блики уже не так беспокоят.
В некоторых солнцезащитных линзах напротив — поляризационные фильтры блокируют все световые волны, за исключением тех, что ориентированы вертикально. Кроме того, хорошие солнцезащитные очки защищают сетчатку глаза от ультрафиолетовых лучей, так что носить их — хорошая идея.
Поляризация и гаджеты
Проблема в том, что в экранах ваших гаджетов тоже есть поляризационные фильтры. Они — неотъемлемая часть некоторых разновидностей матриц, где такие слои используются для формирования изображения и регулировки яркости, а также выступают в роли антибликовых фильтров. Так, большинство матриц LCD-мониторов подсвечиваются поляризованным светом.
Работают они так же, как и фильтры в солнцезащитных очках, отсекая свет, ориентированный, например, вертикально, и пропуская горизонтальные волны. Беда в том, что когда вы смотрите на такой экран в очках, которые отсекают горизонтальные волны, линзы задержат свет, исходящий от экрана полностью.
Другими словами, если экран излучает горизонтально-ориентированный свет, а ваши солнцезащитные очки блокируют все, кроме вертикально-ориентированного света, фотоны не достигнут глаза, а вы будете созерцать очень темное или полностью черное изображение.
У некоторых устройств этот эффект более выражен, чем у других. Как правило, прослеживается зависимость и, чем раньше выпущен смартфон и чем меньше его стоимость, тем вероятнее вы столкнетесь с описанной проблемой.
Во многих гаджетах высокого класса эту проблему успешно обходят, например, располагая поляризационные слои под углом в 45 градусов. Так вы не заметите поляризационных фильтров, даже если будете вглядываться в экран в очках. Примером могут служить нынешние поколения iPhone, iPad и смартфонов Google Pixel. К счастью, даже если экран, на который вы смотрите, полностью черный, снимать солнцезащитные очки не обязательно, достаточно повернуть устройство на 90 градусов. Поляризационный фильтр дисплея и поляризационный фильтр в очках совпадут по ориентации, и свет сможет добраться до ваших глаз. Проблемы возникнут только в случае с мониторами ПК, многие из которых не поворачиваются в портретный режим.
Вместо заключения
Теперь вы знаете об еще одной маленькой тайне производителей современной электроники. Я продолжу раскрывать их в серии статей из цикла: «как это работает». Пока еще продолжение не вышло, можете поэкспериментировать самостоятельно и выяснить, у экранов каких из ваших устройств есть поляризационные фильтры, и как они расположены. Только не забудьте рассказать о своих открытиях в комментариях.
В статье описана нехитрая конструкция, позволяющая просматривать 3D-фильмы, уже появляющиеся на торрентах.
Для просмотра объемного изображения в настоящее время чаще всего используются три технологии – анаглиф, чередование кадров, 3D с применением поляризации света.
Анаглиф
На обыкновенном мониторе (телевизоре) в домашних условиях можно просматривать только анаглиф (см. [1]). Это самая дешевая технология, однако у неё существенный недостаток – страдает цветопередача (так как нужно подкрашивать изображение для правого и левого глаза), и сильно напрягаются глаза. Анаглиф я попробовал сразу, и сразу от него отказался, потому что просмотр такого 3D очень некомфортный, и изображение получается некачественное.
Чередование кадров
Такое 3D можно просматривать на современных телевизорах, которые позволяют установить частоту кадров 100..120 Гц и выше. Для просмотра нужны специальные очки, которые очень быстро (с частотой чередования кадров на телевизоре) закрывают и открывают световой поток, пропуская в левый глаз кадры, предназначенные только для левого глаза, а в правый глаз – только кадры для правого глаза.
На картинке показаны в качестве примера стереоочки TDG-BR100 для формата с чередованием кадров от компании SONY. Информация для синхронизации картинки в очках передается чаще всего по инфракрасному каналу связи, иногда – по радиоканалу. В очках встроен специальный контроллер и 3-вольтовый источник питания., Чтобы объемная картинка была видна, очки нужно включить. Качество объемного изображения очень высокое, но такую картинку на обычном мониторе уже не посмотришь. Очки и телевизоры для просмотра 3D (очки часто идут в комплекте с телевизором) в таком формате сейчас выпускают многие известные бренды бытовой техники, но пока это очень дорогое удовольствие. Цена на телевизоры с поддержкой 3D начинается с 70 тысяч рублей, очки стоят от 5 до 7 тысяч рублей, и инфраструктура вещания 3D в России только-только начинает развиваться. Вещание идет по некоторым кабельным телеканалам (НТВ+ 3D, см. [2]) и каналам спутников.
3D с применением поляризации света
Такое 3D можно увидеть в современных кинотеатрах. Принцип прост – используется два проектора, работающих одновременно, один для левого глаза, другой для правого. Оба проецируют картинку на общий экран. Картинка разделяется для правого и левого глаза при помощи поляризационных фильтров для света (поляризация для правого и левого глаза отличается на 90 градусов), и для просмотра также применяются специальные очки. Очки для просмотра недороги, в них нет источника питания, и во многих кинотеатрах такие очки одноразовые и раздаются бесплатно (их цена входит в стоимость билета). Для примера на картинке показаны очки сети кинотеатров «Киностар».
Качество такого 3D также очень высокое, и принцип можно применить для самодельного домашнего кинотеатра. С этой целью я купил два недорогих портативных проектора. Выбирал самые дешевые и с LED вместо лампы — Acer C20 (см. [3]). Проектор имеет вход VGA и HDMI, и его можно легко подключить к видеовыходу компьютера. Для просмотра понадобится компьютер с двумя видеовыходами, для начала я использовал свой ноут HP Pavilion dv3520er с установленной Windows 7. Мощности ноута хватало для фильмов с ограниченным разрешением, поэтому некоторые фильмы в формате FullHD пришлось перекодировать, чтобы воспроизведение не притормаживало. Потом прикупил компьютер с шестиядерным процессором AMD, и проблемы с тормозами пропали.
Чтобы закрепить проекторы при просмотре, собрал специальную станину. С помощью канцелярских зажимов перед объективами проекторов закрепил поляризаторы, которые выдрал из тех же очков «Киностар». Получилась дешёвая, но весьма сердитая конструкция.
Самая большая сложность неожиданно оказалась в проекционном экране. Дело в том, что простые экраны портят поляризацию, и стереокартинки уже не видно. Нужен экран со специальным покрытием, не рассеивающим поляризацию света. Мне повезло, что у отца оказался замечательный немецкий экран, купленный еще лет 20 назад — MW Top Vario.
Поверхность экрана серая, серебристая, похожая на матовую фольгу. Подробной информации по экрану найти не удалось, нашел только сайт фирмы MW, которая почему-то стала чешской, см. [4].
Для просмотра видеофильма картинка для одного глаза выводится на один рабочий стол компьютера, а для другого глаза – на другой рабочий стол. Показывают 3D видео несколько программ — Stereo Movie Player, sView, iZ3D Media Player Classic (см. [6]). Больше всего понравился плеер Кирилла Гаврилова sView.
1. Проекторы Acer C20, 2 шт. – 20 тыс. рублей
2. Системный блок (материнская плата ASUS со встроенной видеокартой на борту, с 6-ядерным процессором AMD) – 12 тыс. рублей.
3. Очки, которые я насобирал по кинотеатрам с помощью друзей и знакомых – 0 рублей.
Как самому снимать 3D-видео
Оказалось, что сделать самому объемный видеофильм тоже возможно. Нужно купить две видеокамеры, разнести их друг от друга на расстояние человеческих глаз (примерно 6.5 см), и запускать на запись одновременно. Были куплены две портативные камеры (выбирал тоже дешевые) GE DV1. Пишет в формате 1080р (типа FullHD), но матрица всего 5 мегапикселей, плюс еще они водонепроницаемые, поэтому можно брать в походы.
Для фиксации камер на расстоянии друг от друга 6.5 см была сделана струбцинка. Чтобы камеры запускались одновременно от одной кнопки, пришлось залезть внутрь и подпаяться проводками к схеме. Теперь запуск и останов записи видео работает от кнопок одной камеры.
Для редактирования видео в фомате 3D есть несколько программ, я использовал 3D movie maker и MAGIX Movie Edit Pro 17 HD (см. [7]).
Потому что они делают цвета фотографии более насыщенными, а также избавляют картинку от бликов.
Видимый свет, как и любое другое электромагнитное излучение, является волной. Поляризованным светом называется излучение, волны которого колеблются в одной плоскости. Изначально солнечный свет не поляризован, то есть у его волн нет чётко определённого направления поперечных колебаний. Но по пути к фотоаппарату свет то и дело отражается и преломляется. В итоге мы имеем блики на различных поверхностях, а на небе появляется специфичная пелена. Поляризационный фильтр создан, чтобы бороться с этим.
Длинный ответ
Чтобы развёрнуто ответить на вопрос «Зачем нужны поляризационные фильтры?», нужно начать с того, что такое поляризованный (и вообще любой) свет.
Световые волны – это видимый спектр электромагнитного излучения где-то между 400 и 700 нм. Он состоит из электрических и магнитных волн. Они довольно громоздко выглядят вместе (плюс магнитные волны никак не относятся к вопросу о поляризации), поэтому давайте ограничимся электрической составляющей. Волна колеблется перпендикулярно направлению своего движения.
Что же такое поляризация? Представьте себе световую волну, направленную прямо в ваш глаз. Если развернуть предыдущий рисунок на 90 градусов, то всё, что нам будет видно, это колебание волны вверх-вниз. Такой световой луч называется поляризованным. Так что поляризованным называется тот свет, электрическое поле которого колеблется только в одном направлении. Вертикально в данном случае. Это может быть и горизонтальная, и любая, в принципе, ориентация.
Ладно, но как тогда получить неполяризованный свет? Без проблем. Большая часть света, что мы видим, не поляризована. Свет, исходящий напрямую от солнца, не поляризован. То же касается лампочки накаливания, любого горячего светящегося объекта. В один момент времени поле может быть направлено в одну сторону, а в другой – совсем в другую. Это происходит в случайном порядке.
Линейная поляризация
Допустим, вам по каким-то причинам нужно получить поляризованный свет. Как это сделать? Просто используйте поляризатор. Это материал, пропускающий свет. Но пропускает он только свет, ориентированный в одном направлении.
Представим поляризатор, пропускающий только вертикально ориентированный свет. Если поставить его в одну линию с лампой и глазом, он отсечет любой свет, кроме поляризованного вертикально. Естественно, за счет потери части излучения, мы получим несколько более темную картинку.
Взяв поляризатор с горизонтальной ориентацией, мы получим горизонтально поляризованный свет.
И как все это использовать?
Здорово, но зачем вся эта поляризация нужна в обычной жизни, ведь мало кто собирается проводить ежедневные эксперименты? Вспомните солнцезащитные очки с поляризацией (нет, они так называются не только потому, что маркетологи зацепились за модное словечко и нашли повод поднять цену на них в несколько раз) и то, как они борются с бликами и отражениями.
Как это работает? Представьте себя стоящим в солнечную погоду на берегу озера. Свет попадает к вам в глаза со всех направлений, отражаясь от облаков, любой поверхности по соседству. Спокойный отражённый солнечный свет. Но если вы посмотрите прямо на воду, то увидите яркий блик прямиком от солнца. В нем нет ничего хорошего: он ослепляет, причиняет боль. «Пора положить конец этим надоевшим бликам!» – скажут в отделе маркетинга какой-нибудь фирмы по производству солнцезащитных очков. К счастью, хоть прямой солнечный свет не имеет поляризации, но, отражаясь от поверхности, он, как минимум, частично поляризуется (при некоторых углах падения – полностью). Причем направление поляризации параллельно плоскости, от которой отразился свет.
Получается, что большая часть (если не вся) отраженного от поверхности света имеет четко выраженную поляризацию. Всё, что нам остаётся сделать, это надеть солнцезащитные очки с вертикальным поляризационным фильтром и тем самым отсечь блики.
Эти же очки позволят заглянуть под поверхность воды.
Всё это справедливо и для поляризационного фотофильтра. Основная разница состоит в том, что за счёт изменяемой плоскости вращения вы сами можете задавать направление поляризации.
Круговая поляризация и зачем она нужна
Помимо линейной поляризации существует другой ее вид – круговая.
Вот две волны, колеблющиеся в перпендикулярных друг другу плоскостях. В случае, когда они совершают колебания в одной фазе, их суммарный вектор направлен по диагонали. То есть мы снова получаем линейно поляризованный свет.
Но если сдвинуть горизонтальную волну на 1/4 фазы, суммарный вектор двух волн будет вращаться по часовой или против часовой стрелки. То есть, поляризация не будет всё время направлена в одну сторону, она будет круговой.
Чтобы понять, как на практике работает круговой поляризационный фильтр, нужно принять тот факт, что линейно поляризованный свет состоит не из одной электрической волны, а из вектора суммы двух перпендикулярно колеблющихся волн, как на картинке выше. Собственно, сам фильтр состоит из двух частей: линейного поляризатора и специального материала, замедляющего одну компоненту поляризованного света на 1/4 фазы.
Так, а к чему вообще все эти заморочки с круговой поляризацией, когда есть линейная?
Всё дело в том, что электроника современных камер не может адекватно работать с линейно поляризованным светом. Возможны ошибки экспозамера и фокусировки. Со светом, имеющим круговую поляризацию, такой проблемы не возникает, потому что он ведет себя как обычный природный свет.
Использование поляризационного фильтра на фотокамере
Как я писал в начале, поляризационный фильтр делает цвета фотографии более насыщенными, а также избавляют картинку от бликов. Увеличенные насыщенность и контрастность полезна при съёмке пейзажей.
Левый снимок сделан без поляризационного фильтра. Правый – с ним. На втором снимке хорошо заметна как возросшая общая контрастность изображения, так и увеличенное количество деталей в облаках. Стоит обратить внимание, что из-за отсечения фильтром части света, нижняя фотография сделана на более длинной выдержке, чем верхняя: 1/125 секунды против 1/250. Настройки ISO и диафрагмы одинаковы.
Иногда схожего эффекта можно достигнуть при обработке (часто потратив на это больше времени), но вот чего вы точно не сможете добиться, так это избавления от бликов и отражений. Использование поляризационного фильтра на правой фотографии помогло убрать большую часть бликов на окнах. Это бывает чертовски полезно, когда вам нужно сделать кадр через стекло, но из-за отражений не удаётся ничего поймать.
Такой же эффект наблюдается и с бликами на поверхности воды. Правая фотография сделана с поляризационным фильтром.
Конечно, иногда поляризационный фильтр своим эффектом может сделать фотографию хуже. Например, когда вам нужно сохранить дымку в атмосфере или оставить отражения. Всё зависит от того, как вы захотите распорядиться им в своих руках. И не стоит забывать о том, что поляризационный фильтр всегда немного затемняет изображение.
Читайте также: