3D- система с активным затвором (также известная как альтернативная последовательность кадров , альтернативное изображение , искусственный интеллект , переменное поле , чередование полей 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 показывая изображение для правого глаза, блокируя при этом левый глаз, и повторяя это так быстро, что перерывы не мешают воспринимаемому слиянию двух изображений. изображения в одно трехмерное изображение.
В современных 3D-системах с активным затвором обычно используются жидкокристаллические очки с затвором (также называемые «очки с ЖК-затвором» [1] или «очки с активным затвором» [2] ). Стекло каждого глаза содержит слой жидких кристаллов , который имеет свойство становиться непрозрачным при подаче напряжения , а в остальном оставаться прозрачным . Очки управляются синхронизирующим сигналом, который позволяет очкам попеременно блокировать один глаз, а затем другой, синхронно с частотой обновления экрана. Синхронизация времени с видеооборудованием может быть достигнута посредством проводного сигнала или беспроводным способом с помощью инфракрасного или радиочастотного (например , Bluetooth , DLP link) передатчика. Исторические системы также использовали вращающиеся диски, например система Teleview .
3D-системы с активным затвором используются для показа 3D-фильмов в некоторых кинотеатрах, и их можно использовать для представления 3D-изображений на ЭЛТ , плазмах , ЖК-дисплеях , проекторах и других типах видеодисплеев.
Хотя практически все обычные немодифицированные видео- и компьютерные системы можно использовать для отображения 3D путем добавления подключаемого интерфейса и очков с активным затвором, в системах или дисплеях, не предназначенных для такого использования, могут наблюдаться тревожные уровни мерцания или ореолов. Скорость чередования, необходимая для устранения заметного мерцания, зависит от яркости изображения и других факторов, но обычно составляет более 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 каждый глаз, широко известен как немерцающий.
Перекрестные помехи — это утечка кадров между левым и правым глазом. [7] У ЖК-дисплеев эта проблема возникает чаще, чем у плазменных и DLP-дисплеев, из-за более медленного времени отклика пикселей . ЖК-дисплеи, использующие стробоскопическую подсветку, [8] такие как LightBoost от nVidia, [9] уменьшают перекрестные помехи. Это делается путем отключения подсветки между обновлениями и ожидания, пока очки с затвором переключят глаза, а также завершения перехода пикселей на ЖК-панели.
Стандарт M-3DI представлял собой инициативу по стандартизации между производителями, направленную на повышение совместимости очков LC (активного) с затвором, проводимую Panasonic в партнерстве с XpanD 3D и объявленную в марте 2011 года. [10] Она была направлена на повышение признания 3D-продуктов потребителями. распространив соглашение 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 было заменено другим соглашением, получившим название « Инициатива по 3D-очкам Full HD », заключенным 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, содержащемся в объявлении, говорится: «Универсальные очки с новыми ИК/РЧ-протоколами будут доступны в 2012 году и будут обратно совместимы с активными 3D-телевизорами 2011 года». [12]
Field Sequential использовался в видеоиграх, фильмах VHS и VHD и часто упоминается как HQFS для DVD. В этих системах используются проводные или беспроводные очки LCS.
Формат Sensio использовался с DVD с использованием беспроводных очков LCS.
Каждая различная реализация активных 3D-очков с затвором может работать на своей собственной частоте , установленной производителем, чтобы соответствовать частоте обновления дисплея или проектора. Поэтому для обеспечения совместимости между различными брендами были разработаны некоторые очки, способные адаптироваться к широкому диапазону частот. [13] [14]
Этот принцип дебютировал на публике удивительно рано. В 1922 году система Teleview 3-D была установлена в одном кинотеатре Нью-Йорка. Несколько короткометражных фильмов и один полнометражный фильм были показаны путем показа отпечатков для левого и правого глаза на паре взаимосвязанных проекторов, затворы которых работали в противофазе. Каждое место в зале было оборудовано смотровым устройством, содержащим быстро вращающуюся механическую шторку, синхронизированную со шторками проектора. Система работала, но стоимость установки и громоздкость телезрителей, которые приходилось поддерживать на регулируемых подставках, ограничивали ее использование только этим применением.
В последние десятилетия доступность легких оптоэлектронных затворов привела к обновленному возрождению этого метода отображения. Очки с жидкокристаллическими затворами были впервые изобретены Стивеном Макалистером из Evans and Sutherland Computer Corporation в середине 1970-х годов. В прототипе ЖК-дисплеи были прикреплены к небольшой картонной коробке с помощью клейкой ленты. Очки так и не поступили в продажу из-за ореолов , но E&S была одной из первых, кто в середине 1980-х годов внедрил очки сторонних производителей, такие как StereoGraphics CrystalEyes .
Компания Matsushita Electric (ныне Panasonic) в конце 1970-х годов разработала 3D-телевизор , в котором использовалась технология активного затвора. Они представили телевизор в 1981 году, одновременно адаптируя технологию для использования в первой стереоскопической видеоигре — аркадной игре Sega SubRoc -3D (1982). [15]
В 1985 году в Японии стали доступны 3D -плееры VHD от таких производителей, как Victor ( JVC ), National ( Panasonic ) и Sharp . Другие устройства были доступны для кассет VHS с последовательным просмотром в полевых условиях, включая Realeyes 3D. Было предоставлено несколько комплектов для просмотра последовательных DVD-дисков. Sensio выпустила собственный формат, который был более высокого качества, чем DVD-диски High Quality Field Sequential (HQFS).
Метод чередования кадров можно использовать для рендеринга современных 3D-игр в истинное 3D , хотя аналогичный метод с использованием чередующихся полей использовался для создания 3D-иллюзии на таких старых консолях, как Master System и Family Computer . Используется специальное программное или аппаратное обеспечение, генерирующее два канала изображений, смещенных друг от друга для создания стереоскопического эффекта. Для создания бесшовной графики необходима высокая частота кадров (обычно ~100 кадров в секунду), поскольку воспринимаемая частота кадров будет вдвое меньше фактической (каждый глаз видит только половину общего количества кадров). Опять же, ЖК-очки с затвором, синхронизированные с графическим чипом, дополняют эффект.
В 1982 году аркадная видеоигра SubRoc-3D от Sega поставлялась со специальным 3D-окуляром [16] , который представлял собой зритель с вращающимися дисками, позволяющий чередовать левое и правое изображения глазу игрока с одного монитора. [17] 3D-система с активным затвором в игре была разработана Sega совместно с Matsushita (теперь Panasonic). [18]
В 1984 году Милтон Брэдли выпустил 3D Imager, примитивную форму очков с активным затвором, в которых использовался моторизованный вращающийся диск с прозрачными пленками в качестве физических затворов для Vectrex . Хотя они были громоздкими и грубыми, они использовали тот же основной принцип быстро чередующихся изображений, который до сих пор используют современные очки с активным затвором.
В октябре 1987 года в Японии компания Nintendo выпустила систему Famicom 3D для Famicom , которая представляла собой гарнитуру с ЖК-дисплеем и затвором, первое электронное устройство для домашних видеоигр, в котором использовались очки с ЖК-дисплеем с активным затвором. Sega выпустила SegaScope 3-D для Master System Worldwide в ноябре 1987 года. Всего было выпущено всего восемь 3D-совместимых игр.
В 1993 году Pioneer выпустила систему LaserActive , в которой был отсек для различных «PAC», таких как Mega LD PAC и LD-ROM² PAC. Устройство стало поддерживать 3D благодаря добавлению 3D-очков LaserActive (GOL-1) и адаптера (ADP-1).
Хотя 3D-оборудование для этих более ранних систем видеоигр почти полностью находится в руках коллекционеров, в игры в 3D по-прежнему можно играть с помощью эмуляторов, например, используя Sega Dreamcast с эмулятором Sega Master System в сочетании с ЭЛТ-телевизором и 3D-система, подобная той, что есть в The Ultimate 3-D Collection.
В 1999–2000 годах ряд компаний создали комплекты стереоскопических очков с затвором LC для ПК с ОС Windows , которые работали с приложениями и играми, написанными для API-интерфейсов 3D-графики Direct3D и OpenGL . Эти комплекты работали только с ЭЛТ-дисплеями компьютеров и использовали либо сквозной VGA , VESA Stereo , либо собственный интерфейс для синхронизации слева и справа.
Самым ярким примером были очки ELSA Revelator, которые работали исключительно с картами Nvidia через собственный интерфейс на основе VESA Stereo. Позже Nvidia купила эту технологию и использовала ее в своем стереодрайвере для Windows.
В комплект очков входил программный драйвер, который перехватывал вызовы API и эффективно отображал два изображения последовательно; этот метод требовал вдвое большей производительности графической карты , поэтому требовалось устройство высокого класса. Визуальные сбои были обычным явлением, поскольку многие движки 3D-игр полагались на 2D-эффекты, которые отображались с неправильной глубиной, что приводило к дезориентации зрителя. Очень немногие ЭЛТ-дисплеи могли поддерживать частоту обновления 120 Гц при обычных игровых разрешениях того времени, поэтому для изображения без мерцания требовался высококачественный ЭЛТ-дисплей; и даже при наличии мощного ЭЛТ-монитора многие пользователи сообщали о мерцании и головных болях.
Эти комплекты ЭЛТ были совершенно несовместимы с обычными ЖК-мониторами, которые имели очень высокое время отклика пикселей , в отличие от ЭЛТ-дисплеев. Более того, рынок дисплеев быстро переключился на ЖК-мониторы, и большинство производителей дисплеев прекратили производство ЭЛТ-мониторов в начале 2000-х годов, а это означало, что комплекты очков для ПК вскоре вышли из употребления и превратились в очень нишевый рынок, требующий покупки подержанных высокопроизводительных мониторов. конец, ЭЛТ-монитор большой диагонали.
SplitFish EyeFX 3D — комплект стерео3D-очков с затвором для Sony PlayStation 2, выпущенный в 2005 году; он поддерживал только ЭЛТ-телевизоры стандартной четкости. В комплект поставки входит сквозной кабель для геймпада PS2; при активации подключенный аксессуар выдавал на консоль последовательность быстро чередующихся команд движения влево-вправо, создавая своего рода эффект « стереоскопии покачивания », которому дополнительно способствовали проводные очки с затвором LC, которые работали синхронно с этими движениями. [19] Комплект появился слишком поздно в цикле выпуска консоли, когда его фактически заменила PlayStation 3 , и поддерживалось лишь несколько игр, поэтому геймеры по большей части игнорировали его. [20]
Комплект Nvidia 3D Vision на базе USB , выпущенный в 2008 году, 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 — самые распространенные очки 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 домашних телезрителей в 2009 году многие другие производители теперь разрабатывают свои собственные ЖК-очки с затвором, такие как Unipolar International Limited, Accupix Co., Ltd, Panasonic , Samsung и Sony .
Стандарт M-3DI , анонсированный корпорацией Panasonic вместе с XPAND 3D в марте 2011 года, направлен на обеспечение общеотраслевой совместимости и стандартизации очков с LC (активными) затворами .
Компания Samsung разработала активные 3D-очки весом 2 унции (57 г), в которых используются линзы и технология оправы, впервые разработанная компанией Silhouette , которая создает очки для НАСА . [22]
Nvidia производит комплект 3D Vision для ПК; В комплект поставки входят 3D-очки с затвором, передатчик и специальное программное обеспечение графического драйвера. В то время как обычные ЖК-мониторы работают с частотой 60 Гц, для использования 3D Vision требуется монитор с частотой 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 Texas Instruments представила своим OEM-производителям DLP- решения с поддержкой стерео 3D, [23] Samsung и Mitsubishi затем представили первые DLP-телевизоры с поддержкой 3D, а позже появились DLP 3D-проекторы.
Эти решения используют преимущество скорости цифрового микрозеркального устройства (DMD) для последовательной генерации высокой частоты обновления для левого и правого изображений, необходимой для стереоскопического изображения.
Технология DLP 3D использует алгоритм вобуляции SmoothPicture и опирается на свойства современных DMD-сканеров с разрешением 1080p60. Он эффективно сжимает два вида L/R в один кадр, используя шахматный узор, требуя только стандартного разрешения 1080p60 для стереоскопической передачи на телевизор. Заявленным преимуществом этого решения является повышенное пространственное разрешение, в отличие от других методов, которые сокращают вертикальное или горизонтальное разрешение вдвое.
Микрозеркала организованы в так называемую «схему смещенных ромбовидных пикселей» из микрозеркал 960×1080, повернутых на 45 градусов, с центральными точками, расположенными в центре «черных» квадратов на шахматной доске. DMD использует полнопиксельную вобуляцию для отображения полного изображения 1080p в виде двух изображений с половинным разрешением в быстрой последовательности. DMD работает с удвоенной частотой обновления, то есть 120 Гц, а полное изображение 1080p отображается в два этапа. При первом такте отображается только половина исходного изображения 1080p60 — пиксели, соответствующие «черным» квадратам шахматной доски. На втором такте массив DMD механически сдвигается («колебается») на один пиксель, поэтому микрозеркала теперь занимают положение, ранее занимаемое промежутками, и отображается другая половина изображения – на этот раз соответствующие пиксели. на «белые» поля. [24] [25]
Затем генерируется сигнал синхронизации для синхронизации обновления экрана с очками ЖК-затвора, которые носит зритель, с использованием запатентованного механизма Texas Instruments под названием DLP Link. DLP Link поддерживает синхронизацию, добавляя во время интервала гашения дисплея кратковременно мигающие белые рамки , которые улавливаются затворными очками 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 с использованием затворных очков. Современные панели имеют частоту возбуждения пикселей до 600 Гц и обеспечивают точность цветопередачи от 10 до 12 бит с от 1024 до 4096 градаций яркости для каждого субпикселя.
В 2008 году компания Samsung Electronics выпустила PDP-телевизоры с поддержкой 3D: PAVV Cannes 450 в Корее и PNAx450 в Великобритании и США. В 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.
Компания Matsushita Electric (Panasonic) разработала прототип «плазменной театральной системы 3D Full-HD» на выставке CES 2008. Система представляет собой комбинацию 103-дюймового плазменного телевизора , проигрывателя дисков Blu-ray и очков с затвором . Новая система передает чересстрочные изображения 1080i60 как для правого, так и для левого глаза, а видео сохраняется на 50-гигабайтном диске Blu-ray с использованием расширения Multiview Video Coding со сжатием MPEG-4 AVC/H.264 .
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 изображения, возникающим, когда что-то движется слишком быстро, чтобы ЖК-дисплей успевал за ним.
ЖК-технология обычно оценивается не по кадрам в секунду, а по времени, необходимому для перехода от одного значения цвета пикселя к другому значению цвета пикселя. Обычно обновление с частотой 120 Гц отображается в течение полной 1/120 секунды (8,33 миллисекунды) из-за выборки и удержания , независимо от того, насколько быстро ЖК-дисплей может выполнять переходы пикселей. Недавно стало возможным скрыть переходы пикселей от просмотра с помощью технологии стробоскопической подсветки, отключив подсветку между обновлениями [27] для уменьшения перекрестных помех. В новых ЖК-телевизорах, в том числе 3D-телевизорах высокого класса Sony и Samsung, теперь используется стробирующая или сканирующая подсветка для уменьшения перекрестных 3D-наводок во время работы очков с затвором.
В зрительной терапии амблиопии и прерывистого центрального подавления зрения используются жидкокристаллические устройства в целях усиленной окклюзионной терапии. В этом случае пациент с амблиопией постоянно носит электронно-программируемые жидкокристаллические очки или защитные очки в течение нескольких часов во время повседневной деятельности. Ношение устройства побуждает или вынуждает пациента поочередно использовать оба глаза, подобно повязке на глазу , но быстро чередуясь во времени. Цель состоит в том, чтобы обойти тенденцию пациента подавлять поле зрения более слабого глаза и тренировать способность пациента к бинокулярному зрению . В большинстве случаев эти очки имеют гораздо более медленную частоту мерцания, чем более известные 3D-очки с активным затвором.