Настоящий эффект присутствия на экране обычного 3D-монитора своими руками

Автор: Сергей Хижий, фотолюбитель и видеограф, занимается стереосъёмкой с 1984 года

На пороге третьего тысячелетия мы стали свидетелями бума трехмерных технологий в кино, старт которому дал выход на стереоэкраны знаменитого «Аватара». Всё больше игровых и анимационных фильмов снимается в 3D. Телевизоры с объемным изображением все чаще входят в дома. Однако в форумах частенько звучит неприязнь к технологиям 3D: многие зрители не получают удовольствия от просмотра стереофильмов, напротив, порой слышны жалобы на головную боль или сильную утомляемость.

Почему? Может быть, киностудии и производители бытовой электроники что-то нам недодают? Может быть, мы сами делаем что-то неправильно? Может быть, недостаточно просто сесть в трёх метрах от телевизора и надеть стереоочки, чтобы получить удовольствие от объемной картинки? Свои личные наблюдения на этот счет я бы хотел начать с небольшого экскурса в историю вопроса.

Годом рождения фотографии считается 1839-й. Как это ни странно, «стереофотография» появилась на свет раньше фотографии. В 1838 году английский ученый и изобретатель Чарльз Уитстоун выступил перед членами Лондонского Королевского общества с докладом о «феномене бинокулярного зрения». Тогда в качестве своих работ он использовал нарисованные картинки:

Чтобы демонстрировать эти картинки раздельно для каждого глаза, Уитстоун изобрел стереоскоп. Полноценные стереофотографии изобретатель смог продемонстрировать лишь в 1851 году после того, как шотландский ученый Дэвид Брюстер изобрел фотографическое устройство, оснащенное двумя объективами.

Несмотря на то, что конструкций стереоскопов существует великое множество, принципиально, за прошедшие с тех пор десятилетия стереоскоп претерпел незначительные изменения. Все стереоскопы объединяет наличие в их конструкции двух окуляров, задача которых увеличить индивидуальный для каждого глаза фотографический отпечаток или диапозитив так, чтобы он заполнил, по возможности, всё поле зрения. По ощущениям это равносильно рассматриванию сцены непосредственно глазами фотографа, сделавшего стереоснимок. Не удивительно, ведь по конструкции стереоскоп напоминает фотокамеру с двумя объективами с той лишь разницей, что объективы камеры фокусируются на снимаемом объекте, а окуляры стереоскопа – на  изображениях, полученных объективами этой камеры. Зрительное ощущение нахождения на месте съемки будем называть эффектом присутствия.

Мне с детства знаком стереоскоп для просмотра стереодиапозитивов, который выпускался еще в советские времена:

Картонную или пластмассовую рамку с двумя диапозитивами размером 36×24 мм нужно было вставить в стереоскоп и направить его задней матовой стенкой из молочно-белого пластика на источник света. На просвет получался изумительно яркий, красочный и хорошо детализированный объемный вид. Снимая одним фотоаппаратом парные кадры на фотопленку для слайдов, мне удавалось получить отличные стереопары.

Недостатком использования одного фотоаппарата являлась невозможность съёмки подвижных объектов, потому что после съёмки левого кадра нужно было сместить фотоаппарат по горизонтали в позицию для правого кадра.

Но времена меняются, и фотопленка уже давно отошла на покой, уступив место цифровым фотоаппаратам. Моя спарка из двух фотоаппаратов Canon PowerShot A610 с идеально синхронизированными по USB затворами позволяет делать стереоснимки даже быстро движущихся объектов:

Идеальным средством просмотра печатных стереопар, получаемых этой спаркой, стал самодельный стереоскоп:

В картонном корпусе закреплены две очковые линзы с увеличением +9 диоптрий. На обычной фотобумаге размером 10х15 или 9х14 см печатается встык стереопара из двух изображений шириной 65 мм и высотой 86 мм, по одному изображению на каждый глаз. Стереоскоп ставится под лампу, чтобы хорошо осветить стереопару спереди сверху. В итоге, несмотря на мелкую зернистость, стереопары, распечатанные на хорошем струйном фотопринтере с высоким разрешением, смотрятся просто шикарно. Полный эффект присутствия! Взгляд останавливается…, нет, даже не на фотографических деталях, а на РЕАЛЬНЫХ ВЕЩАХ, которые хочется потрогать, и которые, возможно, остались бы незамеченными, будь это плоская фотография.

И вот, казалось бы, с развитием электронных технологий наступил рай для любителей стереосъемки: появились доступные 3D-мониторы, 3D-телевизоры и 3D-камеры. В дополнение к стереофотографии теперь можно снимать своё собственное стереоскопическое видео. Берите, пользуйтесь, наслаждайтесь. Но нет, радоваться еще рано. И причина тому – пресловутая рампа, или иными словами, рамка экрана в совокупности с той плоскостью, на которой формируется, как теперь модно говорить, не стерео, а 3D-изображение.

Будучи удаленным на 2-3 метра, телевизор даже с большой диагональю занимает далеко не все поле зрения зрителя. Эффекта присутствия больше нет. Есть прямоугольное окно, в котором демонстрируется некий объемный мир. Да, это более зрелищно, чем смотреть плоскую картинку, но не совсем то, чего можно было бы ожидать от бинокулярного просмотра. Просмотр в стереоскопе не имеет рампы как таковой; каждый глаз видит свою индивидуальную картинку, расположенную, благодаря окуляру, «в бесконечности». Нет такого предмета, на котором левая и правая картинки накладывались бы друг на друга, как это происходит на экране телевизора.

Телевизор – сам по себе объемный предмет в пространстве, и зритель двумя глазами смотрит конкретно на этот предмет. В стереоскопе, напротив, есть только мнимые изображения, но нет предмета, на который они проецируются.

Наличие рампы накладывает ограничения на методы стереосъемки. Представьте, что перед стереокинокамерой установлена черная рамка, и нужно снимать строго через нее:

Если снимаемый объект находится в плоскости рамки, он одинаково открыт обоим объективам, рамка загораживает одни и те же участки. Но объекты, которые находятся позади рамки, рамка перекрывает от объективов по-разному. Правый объектив захватывает несколько больше объектов слева, а левый – несколько больше объектов справа. Так образуются зоны моноскопии по бокам кадра.

Отсюда вытекают первые два правила стереосъемки с рампой. Первое правило: сюжетно важную часть кадра нужно располагать в плоскости рампы. Второе правило: фон в кадре слева и справа следует выбирать однотонным, чтобы зоны моноскопии были менее заметны.

Съемка без рампы для стереоскопа подразумевает, что оси объективов стереокамеры параллельны друг другу и направлены в бесконечность. Она так и называется – съемка на параллельных осях. Съемка с воображаемой рампой, в свою очередь, требует, чтобы эти оси сходились в плоскости рампы. Такая съемка называется съемкой на перекрестных (конвергентных) осях. Процесс сведения осей объективов называется регулировкой параллакса. На рисунке ниже представлены принципиальные отличия съемки на параллельных осях (с нулевым параллаксом) от съемки на перекрестных осях:

При просмотре стереопары, выполненной по методу съемки на параллельных осях, мнимые изображения удаленных объектов совмещаются друг с другом. При этом взгляд смотрящего направлен вдаль, а оси его глаз так же параллельны, как оси съемочных объективов. Мнимые изображения близких объектов в такой стереопаре смещаются вправо на левом ракурсе, и влево на правом ракурсе. Ничего не стоит левому глазу повернуться направо и, одновременно, правому глазу повернуться налево.

Действительно, глаза у человека способны безболезненно сводится на очень близкое расстояние, хоть на кончик носа. Поэтому просмотр параллельной стереопары не может вызывать дискомфорта в принципе. Единственным минусом такой стереопары является образование боковых зон моноскопии в плоскостях изображений ближних объектов. Однако, при достаточном увеличении эти зоны можно сдвинуть в зону периферийного зрения.

При просмотре стереопары, выполненной по методу съемки на перекрестных осях, изображения близких (сюжетно важных) объектов совмещаются на экране телевизора. Рассматривание изображений этих объектов физиологически ничем не отличается от рассматривания самого телевизора: глаза сфокусированы на плоскость экрана, а оси глаз слегка сведены.

Проблемы могут возникнуть с изображениями удаленных объектов. На левом ракурсе они смещаются влево, а на правом – вправо. До момента, пока оси глаз не станут параллельны, все хорошо. Но если смещения изображений удаленных объектов слишком велики, то зрителю нужно развести глаза в стороны, чтобы избежать двоения.

К сожалению, разводить глаза в стороны мы не умеем, поэтому следует избегать чрезмерных смещений заднего плана. Для этого при съёмке нужно либо ограничить параллакс, либо максимальную удаленность объектов заднего плана, либо и то и другое.

Ограничить удаленность объектов можно съемкой в помещении или установкой задника. Параллакс же определяется расстоянием от камеры до рампы и базисом, то есть расстоянием между осями объективов. Базис 65 мм соответствует среднестатистическому расстоянию между зрачками глаз человека и является предпочтительным для стереосъемки. Но при съёмке на перекрестных осях приходится уменьшать базис до 40 мм, а при съёмке крупных планов и того меньше. В результате зрителям не нужно болезненно “разводить” свои глаза при просмотре, но привычные вещи, оставаясь объемными, теряют свою форму и становятся более плоскими. Альтернативой уменьшению базиса с целью контролировать параллакс остается лишь увеличение расстояния до рампы.

С прицелом на рампу выпускаются и современные любительские стереокамеры. Они оснащены автоматической регулировкой параллакса на объект, который находится в фокусе. А чтобы автомат не уводил в запредельный параллакс, объективы таких камер расположены гораздо ближе друг к другу, чем глаза человека. Дополнительным плюсом таких “узкоглазых” камер можно назвать их небольшие габариты и вес, что также импонирует видеолюбителям.

Лично я являюсь противником рампы и сторонником создания эффекта присутствия. Я не хочу ограничиваться никакими «окнами» и «рамками» и поэтому снимаю свои фотографии и видео на параллельных осях и демонстрирую их на устройствах с большим полем зрения.

Зачем ограничивать себя экраном телевизора, если будущее за видеостенами? Хотите понять, о каком  эффекте присутствия я говорю – сходите в IMAX, оцените его огромный всепоглощающий экран. Понравилось? Тогда самое время попробовать получить такой же эффект на экране компьютерного 3D-монитора.

Первый шаг – обеспечить широкий угол обзора. Чтобы монитор занимал практически все поле зрения, к нему нужно приблизиться на достаточно короткое расстояние. В зависимости от диагонали монитора, это расстояние может быть от 20 до 40 см.

Второй шаг – перенос экрана монитора в бесконечность. Зачем же мы тогда в первом шаге приблизились к нему так близко? Все просто, переносить мы будем не сам монитор, а его мнимое изображение. Чтобы не напрягать глаза фокусировкой на близкое расстояние, применим решение, аналогичное по своей сути классическому стереоскопу: наденем диоптрийные (медицинские) очки. Фокусное расстояние линз таких очков должно быть равно расстоянию от глаз в положении просмотра до дальнего угла монитора. В этом случае, глаза будут фокусироваться в бесконечность, но при этом четко видеть экран.

Сразу предупреждаю, НЕЛЬЗЯ использовать линзы с фокусным расстоянием меньше расчетного: вы посадите зрение, если будете долго находиться перед монитором в таких очках. Для безопасности можно применять линзы с фокусным расстоянием несколько больше расчетного. Целью такого ограничения является недопущение ситуации, когда хрусталик пытается сфокусироваться на чем-то «дальше бесконечности».

По той же причине в очках не следует отодвигаться от монитора на длительное время или смотреть мимо монитора. В стереоскопе расстояние от линз до стереопары жестко фиксировано, а при использовании монитора за расстоянием до него нужно следить самостоятельно, в этом вся разница.

Чтобы заказать правильные очки, нужно преобразовать расчетное фокусное расстояние линз f  в оптическую силу D, которая измеряется в диоптриях. Оптическая сила линзы обратно пропорциональна фокусному расстоянию, выраженному в метрах:

D = 1 / f

Таким образом, если расстояние от глаза до угла экрана равно 30 см, нужны линзы с оптической силой D=1/0,3=3,33 диоптрий. Для безопасности можно уменьшить оптическую силу, округлив ее до +3 диоптрий. Если вы уже носите очки, то просто сложите оптическую силу ваших очков с расчетным значением D, и получится оптическая сила новых очков для просмотра стерео. Например, если вы носите очки с D= –4 диоптрии, то в рассматриваемом  случае вам потребуются очки с оптической силой D = –4 + 3 = –1 диоптрия.

Третий шаг – обеспечение естественной направленности глаз. Теперь, когда мы с помощью очков виртуально перенесли плоскость экрана в бесконечность, нужно позаботиться о том, чтобы при взгляде на эту бесконечность оптические оси глаз были параллельны, как это происходит в жизни. Понятно, что для этого нужно разнести изображения удаленных предметов в плоскости экрана на расстояние, равное межцентровому расстоянию глаз, то есть, в среднем на 65 мм:

Это делается регулировкой параллакса в вашем стереопроигрывателе. Например, в NVIDIA 3D Vision Video Player, регулировка параллакса возможна через меню Файл => Параллакс => Увеличить/Уменьшить горизонтальный параллакс или непосредственно в процессе воспроизведения комбинациями клавиш Shift+Right / Shift+Left:

Снимите затворные или поляризационные очки. Найдите в фильме кадр, в котором можно выделить четкий ориентир на большом расстоянии от камеры. Ориентиром может быть изгиб  линии горизонта, или далекое здание, или дерево вдалеке, или фонарный столб в ночи, как на иллюстрации выше. Затем, регулируя параллакс, наблюдайте, как левое и правое изображения ориентира сходятся и расходятся друг относительно друга. Задача состоит в том, чтобы изображение ориентира для левого глаза переместить в плоскости монитора на 65 мм левее изображения ориентира для правого глаза. Готово.

Единственная сложность во всей этой схеме просмотра – одновременное ношение диоптрийных и затворных очков. Обычно производители проектируют затворные очки таким образом, чтобы их можно было носить поверх обычных. Если у вас монитор с поляризационными очками, то, наверняка, в комплекте с ними имеются и накладные поляризационные фильтры, которые надеваются прямо на обычные очки.

Эффект присутствия в бюджетном варианте – анаглифе – тоже достигается описанным выше способом, только фильтры на диоптрийные очки нужны не поляризационные, а красно/сине-зеленые. Способ позволяет с головой окунуться в мир с неполной цветовой гаммой. С другой стороны, если бюджет позволяет, то заглянуть в виртуальную реальность можно с помощью готового решения – аналога классического стереоскопа – видеошлема. Компания Sony, например, уже сегодня предлагает персональный 3D-дислей HMZ-T1 по цене 3D-телевизора:

Это устройство пока не дотягивает до Full HD по разрешению и ограничивается двумя OLED-матрицами размером 1280х720 пикселей, что уже не плохо, но можно надеяться, что за этой моделью последуют другие, более продвинутые.

В заключение хочу пожелать успехов всем, кто решится испытать эффект присутствия на своем мониторе и тем самым еще раз, как на машине времени, очутиться в тех местах, где когда-то удалось побывать со стереокамерой. Приятного просмотра!