Система 3D с активным затвором (также известная как чередование кадров , чередующееся изображение , ИИ , чередующееся поле , последовательное поле или метод затмения ) — это метод отображения стереоскопических 3D-изображений. Он работает, представляя только изображение, предназначенное для левого глаза, блокируя при этом обзор правого глаза, затем представляя изображение для правого глаза, блокируя при этом обзор левого глаза, и повторяя это так быстро, что прерывания не мешают воспринимаемому слиянию двух изображений в одно 3D-изображение.
Современные активные затворные 3D-системы обычно используют жидкокристаллические затворные очки (также называемые «LC затворными очками» [1] или «активными затворными очками» [2] ). Стекло каждого глаза содержит жидкокристаллический слой, который имеет свойство становиться непрозрачным при подаче напряжения , в противном случае будучи прозрачным . Очки управляются синхронизирующим сигналом, который позволяет очкам попеременно блокировать один глаз, а затем другой, синхронно с частотой обновления экрана. Синхронизация по времени с видеооборудованием может быть достигнута с помощью проводного сигнала или беспроводным способом с помощью инфракрасного или радиочастотного (например, Bluetooth , DLP link) передатчика. Исторические системы также использовали вращающиеся диски, например, система Teleview .
Системы 3D с активным затвором используются для показа 3D-фильмов в некоторых кинотеатрах, а также их можно использовать для показа 3D-изображений на ЭЛТ , плазменных панелях , ЖК-дисплеях , проекторах и других типах видеодисплеев.
Хотя практически все обычные немодифицированные видео- и компьютерные системы могут использоваться для отображения 3D с помощью подключаемого интерфейса и очков с активным затвором, тревожные уровни мерцания или ореола могут быть очевидны с системами или дисплеями, не предназначенными для такого использования. Скорость чередования, необходимая для устранения заметного мерцания, зависит от яркости изображения и других факторов, но обычно значительно превышает 30 циклов пар изображений в секунду, что является максимально возможным для дисплея с частотой 60 Гц. Дисплей с частотой 120 Гц, позволяющий отображать 60 изображений в секунду на глаз, широко признан как не имеющий мерцания.
Перекрестные помехи — это утечка кадров между левым и правым глазом. [7] ЖК-дисплеи демонстрируют эту проблему чаще, чем плазменные и DLP-дисплеи, из-за более медленного времени отклика пикселей . ЖК-дисплеи, использующие стробоскопическую подсветку, [8] такие как LightBoost от nVidia, [9] уменьшают перекрестные помехи. Это достигается путем отключения подсветки между обновлениями, во время ожидания, пока очки с затвором переключат глаза, а также пока ЖК-панель не завершит переходы пикселей.
Стандарт M-3DI был инициативой по стандартизации между производителями для повышения совместимости очков с активным затвором (LC), возглавляемой Panasonic в партнерстве с XpanD 3D и анонсированной в марте 2011 года. [10] Он был направлен на повышение принятия 3D-продуктов потребителями путем распространения соглашения на различных производителей 3D-телевизоров, компьютеров, ноутбуков, домашних проекторов и оборудования для кинотеатров. [10] По состоянию на апрель 2011 года к соглашению присоединились Hitachi , Changhong , Funai , Hisense , Mitsubishi Electric , Epson , ViewSonic и SIM2 Multimedia SpA [10] [11]
В августе того же года M-3DI был заменен другим соглашением, названным « Инициатива по очкам Full HD 3D », сформированным между Panasonic, Samsung , Sony , Sharp Corporation , TCL Technology , Toshiba и Philips . [11] Соглашение о стандартизации охватывало потребительские товары, включая телевизоры, компьютеры и проекторы, также основанные на технологии XpanD 3D. В пресс-релизе в объявлении говорилось: «Универсальные очки с новыми протоколами IR/RF будут доступны в 2012 году и нацелены на обратную совместимость с активными 3D-телевизорами 2011 года». [12]
Технология Field Sequential используется в видеоиграх, фильмах VHS и VHD и часто упоминается как HQFS для DVD; эти системы используют проводные или беспроводные очки LCS.
Формат Sensio использовался с DVD-дисками с использованием беспроводных очков LCS.
Каждая реализация активных 3D-очков может работать на собственной частоте , установленной производителем , чтобы соответствовать частоте обновления дисплея или проектора. Поэтому для достижения совместимости между различными брендами были разработаны определенные очки, способные подстраиваться под широкий диапазон частот. [13] [14]
Принцип дебютировал на публике на удивление рано. В 1922 году система Teleview 3-D была установлена в одном театре в Нью-Йорке. Несколько короткометражных фильмов и один полнометражный фильм демонстрировались путем запуска отпечатков для левого и правого глаза в паре взаимосвязанных проекторов, затворы которых работали не в фазе. Каждое место в зрительном зале было оборудовано устройством просмотра, содержащим быстро вращающийся механический затвор, синхронизированный со затворами проектора. Система работала, но стоимость установки и громоздкость зрителей, которых приходилось поддерживать на регулируемых стойках, ограничили ее использование этим одним мероприятием.
В последние десятилетия доступность легких оптоэлектронных затворов привела к обновленному возрождению этого метода отображения. Жидкокристаллические затворные очки были впервые изобретены Стивеном МакАллистером из Evans and Sutherland Computer Corporation в середине 1970-х годов. Прототип имел ЖК-дисплеи, прикрепленные к небольшой картонной коробке с помощью клейкой ленты. Очки так и не были выпущены в продажу из-за появления ореолов , но E&S была одним из первых, кто принял сторонние очки, такие как StereoGraphics CrystalEyes в середине 1980-х годов.
Matsushita Electric (теперь Panasonic) разработала 3D-телевизор , который использовал технологию активного затвора в конце 1970-х годов. Они представили телевизор в 1981 году, одновременно адаптировав технологию для использования с первой стереоскопической видеоигрой , аркадной игрой Sega SubRoc-3D (1982). [15]
В 1985 году в Японии появились 3D VHD- плееры от таких производителей, как Victor ( JVC ), National ( Panasonic ) и Sharp . Были доступны и другие устройства для полевых последовательных VHS-кассет, включая Realeyes 3D. Было выпущено несколько комплектов для просмотра полевых последовательных DVD. Sensio выпустила свой собственный формат, который был более высокого качества, чем DVD High Quality Field Sequential (HQFS).
Метод чередования кадров может быть использован для рендеринга современных 3D-игр в настоящее 3D , хотя аналогичный метод, включающий чередование полей, использовался для создания иллюзии 3D на таких старых консолях, как Master System и Family Computer . Специальное программное обеспечение или оборудование используется для генерации двух каналов изображений, смещенных относительно друг друга, чтобы создать стереоскопический эффект. Для создания бесшовной графики требуются высокие частоты кадров (обычно ~100 кадров в секунду), поскольку воспринимаемая частота кадров будет составлять половину фактической частоты (каждый глаз видит только половину общего числа кадров). Опять же, очки с затвором LCD, синхронизированные с графическим чипом, завершают эффект.
В 1982 году аркадная видеоигра SubRoc-3D от Sega вышла со специальным 3D-окуляром, [16] который представлял собой просмотрщик с вращающимися дисками для попеременного отображения левого и правого изображения для глаза игрока с одного монитора. [17] Активная 3D-система затвора игры была совместно разработана Sega и Matsushita (теперь Panasonic). [18]
В 1984 году Milton Bradley выпустил 3D Imager, примитивную форму очков с активным затвором, которая использовала моторизованный вращающийся диск с прозрачными пленками в качестве физических затворов, для Vectrex . Хотя они были громоздкими и грубыми, они использовали тот же базовый принцип быстро меняющихся изображений, который до сих пор используют современные очки с активным затвором.
Nintendo выпустила Famicom 3D System для Famicom в октябре 1987 года в Японии, которая представляла собой гарнитуру с ЖК-затвором, первое домашнее игровое электронное устройство, использующее очки с ЖК-активным затвором. Sega выпустила SegaScope 3-D для Master System Worldwide в ноябре 1987 года. Было выпущено всего восемь игр, совместимых с 3D.
В 1993 году Pioneer выпустила систему LaserActive , которая имела отсек для различных "PAC", таких как Mega LD PAC и LD-ROM² PAC. Устройство было способно работать в 3D с добавлением очков LaserActive 3D (GOL-1) и адаптера (ADP-1).
Хотя 3D-оборудование для этих ранних игровых систем практически полностью находится в руках коллекционеров, в игры по-прежнему можно играть в 3D с помощью эмуляторов, например, используя Sega Dreamcast с эмулятором Sega Master System в сочетании с ЭЛТ-телевизором и 3D-системой, подобной той, что входит в The Ultimate 3-D Collection.
В 1999–2000 годах ряд компаний создали комплекты стереоскопических ЖК-очков для ПК с Windows , которые работали с приложениями и играми, написанными для API 3D-графики Direct3D и OpenGL . Эти комплекты работали только с компьютерными дисплеями на ЭЛТ и использовали либо VGA pass-through , VESA Stereo , либо фирменный интерфейс для синхронизации слева направо.
Наиболее ярким примером были очки ELSA Revelator, которые работали исключительно в картах Nvidia через фирменный интерфейс на основе VESA Stereo. Позднее Nvidia купила технологию и использовала ее в своем стереодрайвере для Windows.
Комплекты очков поставлялись с программным обеспечением драйвера, которое перехватывало вызовы API и эффективно отображало два вида последовательно; эта техника требовала удвоенной производительности графической карты , поэтому требовалось высококлассное устройство. Визуальные сбои были обычным явлением, так как многие движки 3D-игр полагались на 2D-эффекты, которые отображались на неправильной глубине, вызывая дезориентацию зрителя. Очень немногие ЭЛТ-дисплеи могли поддерживать частоту обновления 120 Гц при обычных игровых разрешениях того времени, поэтому для изображения без мерцания требовался высококлассный ЭЛТ-дисплей; и даже с подходящим ЭЛТ-монитором многие пользователи жаловались на мерцание и головные боли.
Эти комплекты CRT были совершенно несовместимы с обычными ЖК-мониторами, у которых было очень большое время отклика пикселей , в отличие от дисплеев CRT. Более того, рынок дисплеев быстро переключился на ЖК-мониторы, и большинство производителей дисплеев прекратили производство мониторов CRT в начале 2000-х годов, что означало, что комплекты очков для ПК вскоре вышли из употребления и были сведены к очень узкоспециализированному рынку, требующему покупки подержанного высококлассного монитора CRT с большой диагональю.
SplitFish EyeFX 3D — это комплект стерео 3D-очков с затвором для Sony PlayStation 2, выпущенный в 2005 году; он поддерживал только телевизоры с ЭЛТ стандартной четкости. В комплект поставки входил кабель для геймпада PS2; при активации подключенный аксессуар выдавал последовательность быстро чередующихся команд движения влево-вправо на консоль, создавая своего рода эффект « вигл-стереоскопии », дополнительно поддерживаемый проводными очками с затвором LC, которые работали синхронно с этими движениями. [19] Комплект появился слишком поздно в продуктовом цикле консоли, когда ее фактически заменила PlayStation 3 , и поддерживалось всего несколько игр, поэтому геймеры в значительной степени игнорировали его. [20]
Выпущенный в 2008 году комплект Nvidia 3D Vision на базе USB поддерживает ЭЛТ-мониторы с частотой обновления 100, 110 или 120 Гц, а также ЖК-мониторы с частотой 120 Гц.
Существует множество источников недорогих 3D-очков. Очки IO являются наиболее распространенными очками в этой категории. XpanD 3D — производитель очков с затвором, в настоящее время более 1000 кинотеатров используют очки XpanD. [21] С выходом этой технологии на рынок домашнего просмотра в 2009 году многие другие производители теперь разрабатывают собственные очки с затвором LC, такие как Unipolar International Limited, Accupix Co., Ltd, Panasonic , Samsung и Sony .
Стандарт M-3DI , анонсированный корпорацией Panasonic совместно с XPAND 3D в марте 2011 года, направлен на обеспечение общеотраслевой совместимости и стандартизации очков с активным затвором (LC) .
Компания Samsung разработала активные 3D-очки весом 2 унции (57 г), в которых используются технологии линз и оправы, впервые разработанные компанией Silhouette , которая создает очки для NASA . [22]
Nvidia выпускает комплект 3D Vision для ПК; он поставляется с очками 3D-затвора, передатчиком и специальным графическим драйвером. В то время как обычные ЖК-мониторы работают на частоте 60 Гц, для использования 3D Vision требуется монитор на частоте 120 Гц.
Другие известные поставщики активных 3D-очков включают EStar America и Optoma. Обе компании производят 3D-очки, совместимые с различными технологиями, включая RF, DLP Link и Bluetooth.
В 2007 году компания Texas Instruments представила своим OEM-производителям решения DLP с поддержкой стерео 3D, [23] затем Samsung и Mitsubishi представили первые телевизоры DLP с поддержкой 3D, а позже появились проекторы DLP 3D.
Эти решения используют неотъемлемое преимущество скорости цифрового микрозеркального устройства (DMD) для последовательной генерации высокой частоты обновления для левого и правого видов, необходимых для стереоскопического изображения.
Технология DLP 3D использует алгоритм вобуляции SmoothPicture и опирается на свойства современных формирователей изображений DMD 1080p60. Она эффективно сжимает два вида L/R в один кадр, используя шахматный шаблон, требуя только стандартного разрешения 1080p60 для стереоскопической передачи на телевизор. Заявленное преимущество этого решения — повышенное пространственное разрешение, в отличие от других методов, которые сокращают вертикальное или горизонтальное разрешение вдвое.
Микрозеркала организованы в так называемую «смещенную ромбовидную пиксельную схему» из 960×1080 микрозеркал, повернутых на 45 градусов, с их центральными точками, размещенными в центре «черных» квадратов на шахматной доске. DMD использует полнопиксельную вобуляцию для отображения полного изображения 1080p как двух изображений с половинным разрешением в быстрой последовательности. DMD работает с удвоенной частотой обновления, т. е. 120 Гц, и полное изображение 1080p отображается в два этапа. На первом такте отображается только половина исходного изображения 1080p60 — пиксели, которые соответствуют «черным» квадратам шахматного узора. На втором такте матрица DMD механически сдвигается («качается») на один пиксель, так что микрозеркала теперь находятся в положении, ранее занимаемом зазорами, и отображается другая половина изображения — на этот раз пиксели, соответствующие «белым» квадратам. [24] [25]
Затем генерируется сигнал синхронизации для синхронизации обновления экрана с очками с затвором LC, которые носит зритель, используя фирменный механизм Texas Instruments под названием DLP Link. DLP Link поддерживает синхронизацию, встраивая кратковременно мигающие белые кадры во время интервала гашения дисплея , которые улавливаются очками с затвором LC. [26]
Плазменные панели по своей сути также являются высокоскоростными устройствами, поскольку они используют широтно-импульсную модуляцию для поддержания яркости отдельных пикселей, что делает их совместимыми с последовательным методом, включающим затворные очки. Современные панели имеют частоту управления пикселями до 600 Гц и обеспечивают точность цвета от 10 до 12 бит с 1024 до 4096 градациями яркости для каждого субпикселя.
Samsung Electronics выпустила 3D-телевизоры PDP в 2008 году, "PAVV Cannes 450" в Корее и PNAx450 в Великобритании и США. В этих телевизорах используется та же схема сжатия шахматной доски, что и в их DLP-телевизорах, но только с собственным разрешением 1360×768 пикселей, а не со стандартом HDTV 720p, что делает их пригодными для использования только с ПК.
Matsushita Electric (Panasonic) представила прототип "3D Full-HD Plasma Theater System" на выставке CES 2008. Система представляет собой комбинацию 103-дюймового PDP-телевизора , проигрывателя Blu-ray Disc и очков с затвором . Новая система передает чересстрочные изображения 1080i60 как для правого, так и для левого глаза, а видео сохраняется на 50-гигабайтном Blu-ray-диске с использованием расширения сжатия MPEG-4 AVC/H.264 Multiview Video Coding .
Раньше ЖК-дисплеи не очень подходили для стереоскопического 3D из-за медленного времени отклика пикселей . Жидкокристаллические дисплеи традиционно медленно меняют одно состояние поляризации на другое. Пользователи ноутбуков начала 1990-х годов знакомы с размытием и нечеткостью, которые возникают, когда что-то движется слишком быстро для ЖК-дисплея.
Технология ЖК-дисплеев обычно оценивается не по кадрам в секунду, а по времени, которое требуется для перехода от одного значения цвета пикселя к другому значению цвета пикселя. Обычно обновление 120 Гц отображается в течение полной 1/120 секунды (8,33 миллисекунды) из-за выборки и удержания , независимо от того, как быстро ЖК-дисплей может выполнять переходы пикселей. Недавно стало возможным скрывать переходы пикселей от просмотра с помощью технологии стробоскопической подсветки, отключая подсветку между обновлениями [27] для уменьшения перекрестных помех. Более новые ЖК-телевизоры, включая высококачественные 3D-телевизоры Sony и Samsung, теперь используют стробоскопическую подсветку или сканирующую подсветку для уменьшения перекрестных помех 3D во время работы очков-затворов.
В зрительной терапии амблиопии и прерывистого центрального подавления жидкокристаллические устройства использовались для целей усиленной окклюзионной терапии. В этом сценарии пациент с амблиопией носит электронно-программируемые жидкокристаллические очки или защитные очки непрерывно в течение нескольких часов во время обычных повседневных занятий. Ношение устройства поощряет или заставляет пациента использовать оба глаза попеременно, подобно наложению повязки на глаз , но быстро чередуя во времени. Цель состоит в том, чтобы обойти тенденцию пациента подавлять поле зрения более слабого глаза и тренировать способность пациента к бинокулярному зрению . Очки в основном имеют гораздо более медленную частоту мерцания, чем более известные активные 3D-очки с затвором.