Úlohy pro praktickou výuku zpracování obrazových dat podpořeno z FRVŠ č. 724/2011
TVORBA 3D VIDEA CÍLE LABORTATORNÍ ÚLOHY 1. Seznámení se s metodami tvorby 3D videa 2. Složení snímků a použití 3D brýlí pro 3D vjem obrazu
TEORETICKÝ ZÁKLAD Člověk přijímá informace ze svého okolí pomocí smyslů. Tradičních pět smyslů u člověka jsou chuť, čich, sluch, hmat a zrak. Těchto pět smyslů znal již Aristoteles. Tyto smysly vnímají vnější prostředí, proto se nazývají extroreceptory. Chuť a čich snímají chemické složení látek na ně dopadajících; jsou to chemoreceptorové smysly. Sluch, stejně jako hmat, snímají mechanické veličiny, jsou to tedy mechanoreceptorove smysly Zrak snímá světelné podněty, je to tedy fotoreceptorový smysl. Mimo těchto pět základních smyslů má člověk též smysly pro vnímání teploty - termoreceptory v kůži, pro vnímání gravitačního pole - mechanoreceptory ve vestibulárním systému vnitřního ucha a smysl pro vnímání času, ten je umístěn v mozku a na rozdíl od ostatních smyslů je značně nepřesný. Zrakem člověk přijímá 90% informací z okolí. Je tak tedy pro nás nejdůležitějším smyslem. Oko umožňuje vnímat elektromagnetické vlnění o vlnové délce 400 až 750nm. Toto se děje prostřednictvím speciálních světločivých receptorů uložených v sítnici oka. Samotné světločive elementy na sítnici jsou dvojího druhu: •
•
Tyčinky - umožňující skotopické (černobílé) vidění. Jejich celkový počet je asi 120 milionů. V sítnici nejsou rozmístěny rovnoměrně, směrem k okrajům jich přibývá. Čípky - umožňující fotopické (barevné) vidění. Je jich cca 6 milionů. Nejvíc je jich v tzv. žluté skvrně, což je místo nejostřejšího vidění, přesněji v její prohloubené centrální jamce, kde naopak zcela chybějí tyčinky. Čípky žluté skvrny jsou jemnější než čípky uložené periferněji.
PROSTOROVÉ VIDĚNÍ Prostorové vidění lze rozdělit na dvě kategorie 1. Přirozené, kdy pozorujeme oběma očima prostorový objekt 2. Umělé, kdy pozorujeme dvojici dvourozměrných stereoskopických obrazů Prostorové vidění nám dává informaci o vzájemném postavení objektů v pozorované scéně a o jejich přibližné vzdálenosti od pozorovatele. Tyto informace ovšem můžeme ve velmi omezené míře získat i při pozorování pouze jedním okem, a to
Úlohy pro praktickou výuku zpracování obrazových dat podpořeno z FRVŠ č. 724/2011
díky akomodaci čočky. Oko je totiž schopné měnit tvar své čočky a tím posouvat její ohnisko tak, aby bylo schopno reagovat na přiblížení pozorovaného předmětu. Pokud oko pozoruje vzdálený předmět, jsou paprsky vycházející z jednoho bodu a procházející okrajem čočky téměř rovnoběžné a díky čočce dopadají na sítnici opět do jednoho bodu.
Obrázek 1. Akomodace na velkou vzdálenost
Obrázek 2. Akomodace na malou vzdálenost
Při pozorování blízkého předmětu čočka změní svůj tvar a umožní protnutí paprsků na sítnici i pro mnohem tupější úhly. Tímto mechanizmem je oko schopno určit
pořadí předmětů ve scéně a v omezené míře určovat i vzdálenost předmětů. Mnohem přesnější informaci o postavení objektů v pozorované scéně dostáváme při pozorování oběma očima. Při tomto pozorování se při vzrůstající vzdálenosti pozorovaného objektu zvětšuje tzv. konvergenční úhel, což je úhel svíraný zornými osami očí. Pro velmi vzdálené body jde tento úhel k nule, naopak pro velmi blízké předměty, na které je zdravé oko schopno zaostřit je zhruba 20° při vzdálenosti objektu 25cm a vzdálenosti očí 9cm. Při pozorování scény s více objekty, které jsou různě vzdálené, pozorujeme každý z nich pod jiným konvergenčním úhlem. Rozdíl těchto úhlů dává tzv. paralaktický úhel. Velikost paralaktického úhlu určuje míru plasticity vidění dané scény, jeho velikost má ovšem jistá omezení. Pokud pozorujeme trojrozměrný objekt ve scéně, je vhodné, aby byl celý tento předmět viděn ostře. Zde je tedy nutné, aby paralaktický úhel nebyl větší než 70 minut, protože při větším úhlu již oko nedokáže díky akomodaci zaznamenat celý objekt ostře. Toto omezení ovšem neplatí při pozorování scény s více objekty, mezi kterými musí oko přeostřovat, zde je tento efekt naopak žádoucí pro stanovení pořadí předmětů ve scéně.
Úlohy pro praktickou výuku zpracování obrazových dat podpořeno z FRVŠ č. 724/2011
UMĚLÉ PROSTOROVÉ VIDĚNÍ Umělé prostorové vidění je založeno na principu, kdy každé oko dostává dvourozměrný obraz trojrozměrné scény sejmutý z jiného úhlu a promítaný tak, jako by oko pozorovalo přímo původní trojrozměrnou scénu. Samotné snímání scény je realizováno dvojicí záznamových zařízení (fotoaparáty, kamery), popř. jedním zařízením umožňujícím horizontální posuv vůči scéně a opětovné sejmutí obrazu. Tento princip je vhodný pouze pro statické scény, protože pohyb ve scéně by znamenal vlastně sejmutí záznamu z různých scén. Proces reprodukce trojrozměrné scény je již značně složitější. V principu jde o to, aby každé oko vidělo právě jeden obraz scény, a to ten který byl zaznamenán z příslušného směru. Používá se několik metod k získání prostorového vjemu ze dvou obrazů. Tyto metody lze rozdělit na: 1. Metody bez přídavných pomůcek pro pozorovatele 2. Metody s přídavnými pomůckami pro pozorovatele • •
Aktivní metody Pasivní metody
METODY BEZ PŘÍDAVNÝCH POMŮCEK PRO POZOROVATELE Metody bez přídavných pomůcek zpravidla vyžadují určité cvičení oka a osvojení si technik potlačujících přirozené zrakové reflexy. Mezi tyto postupy se řadí metoda „šilhání", kdy pozorovatel musí změnit konvergenční úhel tak, aby se zorné osy protínaly před obrázkem a poté procházely každá opačnou polovinou obrazu. Pokud je obrázek tvořen dvěma obrazy, kdy na levé polovině obrázku je obraz pro pravé oko a opačně, může pozorovatel vidět scénu prostorově.
Úlohy pro praktickou výuku zpracování obrazových dat podpořeno z FRVŠ č. 724/2011
Obrázek 3. Princip metody šilhání Vzhledem k tomu, že pozorovatel musí úmyslně šilhat je tato metoda velmi nepříjemná a někteří diváci nejsou vůbec schopni prostorový vjem získat. Navíc pro úspěšné zobrazení je nutné, aby pozorovatel stál kolmo před obrazem, jinak metoda nefunguje. Další metodou bez pomůcek pro pozorovatele jsou autostereoskopické monitory. V principu jde o kombinaci klasického crt či led monitoru se speciální prizmovou maskou, která umožňuje lom světla vždy pro sudé sloupce pixelů na jednu stranu a pro liché na druhou. Výsledkem je, že pozorovatel vidí jedním okem pouze obraz vysílaný lichými sloupci a druhým okem pouze obraz vysílaný sudými sloupci pixelů. Standardní autostereoskopické monitory nutí uživatele sedět přímo před monitorem, úhel, kdy tato metoda funguje je cca 25°. Pokročilejší metoda umožňuje snímání polohy pozorovatele a následnou změnu parametrů prizmové masky, čímž tento úhel značně zvyšuje. Tato metoda již byla představena také v tzv. plné 3D formě, kdy je do kruhu rozmístěno až devět těchto monitorů a divák může při pozorování scénu dokonce obcházet a pozorovat ji tak z různých úhlů.
Úlohy pro praktickou výuku zpracování obrazových dat podpořeno z FRVŠ č. 724/2011
Obrázek 4. Princip autostereoskopických monitorů METODY S PŘÍDAVNÝMI POMŮCKAMI PRO POZOROVATELE Další skupinou metod pro umožnění umělého prostorového vidění jsou metody používající pomůcek pro pozorovatele. Těmito jsou pomůcky využívající přepážek či zrcadel, dále metody oddělující jednotlivé obrazy pomocí barevné filtrace, metody používající synchronní časový multiplex a metody s polarizačními filtry. AKTIVNÍ METODY - METODY VYUŽÍVAJÍCÍ ČASOVÝ MULTIPLEX
V současnosti největší masové využití, hlavně v komerční sféře, mají systémy využívající časově synchronní zatmívání, kdy pozorovatel sleduje obraz pomocí brýlí s aktivními LCD panely, které umožňují své plné zatmavení, a tím zabrání jednomu oku sledovat v určitém okamžiku scénu. V kombinaci s časově synchronním vysíláním obou snímků pro levé a pravé oko je docíleno efektu, při kterém každé oko vidí právě svůj obraz. Tento systém dosahuje velmi dobrých výsledků v kvalitě zobrazení, ale trpí i řadou nevýhod: • •
Brýle obsahují aktivní prvky a jsou relativně těžké Protože LCD displeje mají větší setrvačnost a není tudíž možné dosáhnou rychlého střídání obrazů, mohou citlivější osoby vnímat blikání obrazu, což je nepříjemné
Celý systém musí být vybaven zařízením pro synchronizaci brýlí s vysílaným obrazem. Pro pozorování na monitoru jsou nutné speciální LCD monitory s obnovovací frekvencí alespoň 120Hz, či návrat k CRT monitorům. Při použití nižších obnovovacích frekvencí je blikání obrazu zřetelné, protože obnovovací frekvence se de facto ještě dělí dvěma při průchodu brýlemi. Protože každé oko pozoruje obraz jen polovinu času, snižuje se tím jas obrazu LCD brýle v propustném stavu mají nazelenalý nádech, který nepatrně deformuje podání barev v obraze
Úlohy pro praktickou výuku zpracování obrazových dat podpořeno z FRVŠ č. 724/2011
Obrázek 5. Princip aktivní stereoskopicképrojekce s LCD brýlemi
PASIVNÍ METODY Metoda s polarizačními filtry Nejčastěji používanou metodou z této skupiny jsou systémy s polarizačními filtry. Tato metoda je sice nejnákladnější, ale dosahuje relativně nejlepších výsledků. Při používání této metody jsou nutné dva projektory, z nichž každý je na výstupu opatřen polarizačním filtrem opačné orientace (horizontální, vertikální), dále speciální projekční plátno zachovávající polarizaci dopadajícího světla a na závěr pasivní brýle, které pouze propouští do levého či pravého oka patřičně polarizovaný obraz. Výhody této metody jsou: •
Vysoká kvalita obrazu
•
Brýle jsou lehké a neobtěžují pozorovatele
•
Každé oko sleduje obraz kontinuálně
•
Lze použít i na analogové záznamy
Nevýhody metody:
Úlohy pro praktickou výuku zpracování obrazových dat podpořeno z FRVŠ č. 724/2011 •
Vysoká cena promítacího plátna zachovávajícího polarizaci
•
Nutnost dvou projektorů
•
Není možné provozovat na monitorech
Obrázek 6. Princip pasivní stereoskopické projekce s polarizačními filtry Metody využívající barevné filtrace Základní formou této metody je anaglyf. V principu jde o rozdělení obrazů do jejich barevných složek, odebrání určitých barevných kanálů každému obrazu a jejich sečtení v jeden obraz. Nejčastější jsou metody využívající barev červená-azurová, červená-modrá a červená-zelená. Tímto postupem získáme obraz, který při pozorování barevnými brýlemi umožní separaci jednotlivých obrazů tak, že obraz, který je promítán pouze červenou barvou je viděn pouze okem, před kterým je červený barevný filtr a naopak obraz, který je promítán azurovou (modrou, zelenou) je viděn pouze okem s patřičným filtrem. Lidský mozek při pozorování tohoto obrazu spojí části v prostorovou scénu. Ta ovšem trpí barevnou ztrátou, která je navíc pro každé oko jiná. Mozek sice dokáže tuto vadu částečně eliminovat, přesto bývají anaglyfy pro některé pozorovatele značně rušivé až nepozorovatelné.
Úlohy pro praktickou výuku zpracování obrazových dat podpořeno z FRVŠ č. 724/2011
Obrázek 7. Vstupní obrazy pro levé a pravé oko pro výrobu anaglyfu
Obrázek 8. Obrazy pro výrobu anaglyfu po odstranění barevných složek
Obrázek 9. Výsledný anaglyf
Úlohy pro praktickou výuku zpracování obrazových dat podpořeno z FRVŠ č. 724/2011 I přes nevýhody plynoucí ze ztráty barevné informace v obraze, je anaglyf často využívaným prostředkem k získání prostorového vjemu. Jeho hlavními výhodami jsou: • •
Velice snadná reprodukovatelnost a nepotřebujeme žádné speciální prostředky Dostupnost a cena barevných brýlí
Značným vylepšením této metody jsou metody využívající pokročilejší barevné filtrace, kdy neodstraňujeme celý barevný kanál (červený, zelený, modrý), ale tento si rozdělíme na dva dílčí kanály a filtraci provedeme pro každou část zvlášť. Na této metodě jsou založeny systémy Infitec, které používají celkem dvě sady filtrů -jednu na straně projektorů, druhou na straně pozorovatele. Infitec využívá barevných filtrů, které jsou tvořeny paralelním řazením tří pásmových propustí s velmi strmou charakteristikou, kdy každá tato pásmová propust je situována v oblasti tři základních barev - zelená, modrá, červená.
Obrázek 10. Uspořádání barevných filtrů metody Infitecpro levé a pravé oko Filtry na straně projektoru jsou umístěny mezi zdrojem světla a LCD displejem či DLP matricí projektorů a mají stejné charakteristiky jako filtry obsažené v brýlích. Teoreticky není tento systém závislý na značce a typu použitého projektoru.
Úlohy pro praktickou výuku zpracování obrazových dat podpořeno z FRVŠ č. 724/2011
Obrázek 11. Schematické uspořádání Infitec systému
Z projektorů tedy vychází obraz obsahující všechny základní barvy (červená, zelená, modrá), ale žádná z těchto složek vysílaná jedním projektorem se nepřekrývá s žádnou složkou vysílanou projektorem druhým. Výsledkem je tedy barevná separace obou obrazů. Pokud nyní provedeme barevnou filtraci za použití stejných filtrů pomocí brýlí, dosáhneme efektu, kdy každé oko vidí obraz vysílaný „svým" projektorem s naprosto minimální barevnou ztrátou, bez použití speciálních projekčních pláten a bez použití aktivních brýlí. Shrnutí výhod: • • •
Pasivní brýle s nízkou hmotností Není nutnost speciálních pláten či projektorů Minimální ztráta barevné informace
Nevýhody: • •
Nutnost dvou projektorů Nutnost mechanického zásahu do projektorů
