Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Воскресенье, 19 ноября
 
 


Это интересно!

Ранее

Основы построения аудиосетей AoIP

В статье изложены основные принципы передачи звукового потока по локальной сети. Подробно рассмотрены протоколы и методы повышения качества передачи.

Карманный усилитель звука

Предлагаемый читателям карманный усилитель состоит из трех одинаковых по размеру схем: усилителя, предусилителя и источника питания. Несмотря на простую схему, устройство обладает сравнительно неплохим качеством звука, имеет регулировку громкости и тембра.

Введение в видеоанализ

В настоящее время технология видеоанализа используется в трёх основных областях: в видеонаблюдении, розничной торговле и на транспорте. Статья знакомит с основными понятиями видеоанализа и описывает ключевые этапы последовательной обработки видеокадров. В статье рассматриваются особенности реализации системы видеоанализа в различных приложениях. Эта публикация представляет собой перевод [1].

Реклама

По вопросам размещения рекламы обращайтесь в отдел рекламы

Реклама наших партнеров

 

17 мая

3D-технологии

В статье кратко описаны основные походы к созданию и воспроизведению трехмерного видео. Выделены достоинства и недостатки каждой технологии. Рассмотрены стандарты передачи цифрового 3D-сигнала.



Хотя идея появилась давно, до сих пор не существует полноценной технологии создания и воспроизведения 3D-видео. Разработки, существующие на сегодняшний день, остаются слишком дорогими для массового рынка. В связи с этим основным средством просмотра 3D-контента в ближайшее десятилетие будут привычные 2D ЖК-дисплеи либо 3D-дисплеи с воспроизведением в режиме 2D.

В основе всех технологий создания объемного эффекта лежит одна и та же исходная предпосылка: для каждого глаза создается свое, скорректированное в перспективе изображение. Эти изображения воспроизводятся либо одновременно, либо поочередно так, чтобы это было незаметно для глаза, а мозг сам соединил их в один кадр.

3D-очки

На заре трехмерного видео просмотр 3D-фильма был невозможен без специальных очков или шлема. Из-за громоздкости шлемы в настоящее время не используются, а технологии изготовления очков продолжают развиваться, несмотря на то, что активно ведутся разработки 3D-дисплеев, в которых трехмерное изображение создается без использования дополнительных устройств.

Существует несколько видов очков для просмотра трехмерного видео (см. рис. 1).

Рис. 1. Очки для просмотра трехмерного видео

Анаглиф, или красно-голубые очки. Трехмерный эффект создается за счет использования красных и синих фильтров, которые позволяют мозгу проводить различие между изображениями для правого и левого глаза в пределах одного кадра. Достоинства: низкая стоимость. Недостатки: цветовые фильтры существенно уменьшают количество света, достигающего глаз зрителей, и ухудшают цветовую гамму изображения. Кроме того, эта технология не позволяет абсолютно изолировать изображения, в результате чего каждый глаз видит часть изображения, предназначенного для другого глаза. Это вызывает головную боль и утомление.

Очки с пассивной поляризацией. Изображения для каждого глаза имеют разную поляризацию. Соответственно, линзы очков пропускают только «свое» изображение. Качество получаемой картинки зависит от того, насколько прямо и неподвижно зрители держат голову. Эти очки также уменьшают количество света, который попадает в глаза, однако они не искажают цветность изображения.

Очки с ЖК-затвором. Изображения для левого и правого глаз воспроизводятся на экране поочередно. При этом затворы на стеклах очков закрывают то правый, то левый глаз, чтобы в каждый момент мозг воспринимал только одно изображение, а потом складывал их в трехмерную картину. Среди технологий, основанных на применении очков, наиболее перспективной считается именно эта.

Синхронизация работы затворов и дисплея осуществляется посредством ИК-сигнала, который передается одновременно с видео. Вместо ИК может использоваться радиочастотный сигнал, интерфейс Bluetooth или проводное соединение. Недостатком очков с затвором является то, что они работают от аккумулятора, который придется постоянно подзаряжать. С другой стороны, аккумулятор мал (как батарейка для часов) и почти не утяжеляет конструкцию. Преимущества же технологии огромны, поскольку активные очки позволяют смотреть видео высокой четкости с полноценной прогрессивной разверткой 1080p, в то время как пассивные очки с поляризацией при прочих равных условиях позволили бы смотреть видео с вдвое меньшим разрешением (1080i).

У всех очков есть общие недостатки: они индивидуальны и, кроме того, имеют стандартные размеры и могут не подойти конкретному человеку по какому-либо параметру (межзрачковое расстояние, расстояние до экрана, угол обзора и пр.).

Преобразование информации из 2D в 3D может проводиться программно методами математической графики или в режиме реального времени на процессоре, который прилагается в виде небольшого устройства в комплекте с очками. Более традиционные схемы захвата видеоизображения требуют установки двойных объективов и двойных устройств хранения данных.

3D-дисплеи

Дисплеи для просмотра трехмерного видео делятся на две большие группы: требующие и не требующие дополнительных устройств (очков, шлемов).

Некоторые ЖК-дисплеи имеют встроенные поляризованные фильтры, расположенные в начале каждой строки дисплея. Этот фильтр вырезает строки, предназначенные для одного из глаз. Главный недостаток такого подхода заключается в том, что вертикальное разрешение экрана уменьшается вдвое. Однако этот эффект можно отключить, и мы получим 2D или 3D, переведенное в 2D.

3D-дисплеи, не требующие очков, условно можно подразделить на 3 группы:

1. Стереоэкраны.

2. Голографические.

3. Волюметрические.

Стереоэкраны. Работа стереодисплеев основана на создании так называемого параллаксного барьера. Как известно, воспринимаемая человеком объемная картина формируется мозгом путем наложения изображений, видимых каждым глазом. Этот эффект называется параллаксом.

В стереоэкране все пикселы поделены на «левые» (четные) и «правые» (нечетные). С помощью специальной маски на каждый глаз выводятся только предназначенные для него пикселы.

Параллаксный барьер — это не линия на экране, а воображаемая плоскость, проходящая перпендикулярно его центру. Таким образом, если глаз начинает видеть соседнюю область, эффект исчезает. Стоит наклонить голову, чуть подвинуться в сторону, как объемное изображение становится плоским. В некоторых случаях возникает головная боль, если правый глаз начинает видеть картинку для левого. Можно принять меры по улавливанию движения зрителя, но пока они малоэффективны, зато вдвое увеличивают и без того слишком высокую стоимость дисплея. Второй недостаток стереодисплеев — уменьшение разрешения. Достоинством же технологии является то, что она позволяет воспроизводить двухмерный контент.

Несмотря на очевидные недоработки, стереодисплеи становятся все популярнее. Так, компании NEC, Samsung и Sharp разрабатывают мобильные телефоны и ноутбуки со стереодисплеями, которые пользуются стабильным спросом.

Автостереоскопические дисплеи (см. рис. 2). Принцип их работы основан на применении лентикулярных растровых линз, представляющих собой лист бесцветного экструдированного пластика, на одной стороне которого вытиснено микрорифление (лентикулы). Другая сторона, на которую проецируется изображение, остается гладкой. Наложение этих линз на плоскую картинку позволяет глазу одновременно видеть перемежающиеся части составного изображения.

Рис. 2. 3D-дисплеи

Практически все серийно выпускаемые сегодня 3D-мониторы относятся к категории стереодисплеев. Некоторые компании, например 4D-Vision, пытаются создать даже мультидисплеи, которые имеют не один, а несколько параллаксных барьеров. В этом случае фильм могут одновременно просматривать несколько человек. Перемещаясь по горизонтали, зритель должен видеть все более удаленные от центральной точки ракурсы. Эффект трехмерности гораздо более стабилен, к тому же появляется возможность «оглядывания» объекта. Однако при данном подходе разрешение уменьшается еще сильнее. Если разделить экран с горизонтальным разрешением 1024 пиксела на 5 частей (меньше не имеет смысла), то каждое изображение будет иметь ширину только 209 пикселов.

Эту проблему успешно решили с помощью голографических оптических элементов (Holographic Optical Elements — HOE), каждый из которых закрывает 1 пиксел и направляет проходящий свет в одном из заданных направлений. Элементы, формирующие столько различных направлений, сколько нужно ракурсов, объединяются в паттерн, повторяющийся по всей поверхности экрана. Для получения четырех ракурсов достаточно группы 2×2 пиксела, для 9 ракурсов — 3×3. Однако преодолев один барьер, разработчики тут же уперлись в два других. Во-первых, монитор с HOE пригоден только для вывода трехмерного видео и графики; отключить элементы нельзя. Второе и более серьезное препятствие — создание контента. Действительно, снять 9-ракурсный видеофильм — задача нетривиальная. Кроме того, необходимое для этого оборудование будет стоить баснословно дорого, не говоря уже о производительности, которую должны будут иметь процессоры для обработки видеопотока.

Голографические дисплеи. Идеальным методом получения реалистичного 3D-изображения считается полная амплитудно-фазовая голограмма. Однако на нынешнем уровне развития электроники этот путь безумно сложен и дорог. Тем не менее, разработки в области создания голографических дисплеев продолжаются. Одно из наиболее интересных направлений — киноформная оптика, или фазовые голограммы.

Киноформ — тонкая фазовая синтезированная голограмма, которая несет однозначную информацию о фазовой составляющей объектной волны и позволяет восстанавливать ее при освещении опорной волной. В отличие от обычных оптических линз, оптическая толщина киноформа соизмерима с длиной волны света, что позволяет создавать практически плоские элементы.

На практике фазовые диаграммы можно получить с помощью жидких кристаллов с вертикально выращенными углеродными нанотрубками. Многослойные углеродные нанотрубки (MWCNT — multi-wall carbon nanotube) играют роль трехмерной электродной структуры. Другой подход — получение голографического изображения с помощью проекционных ЖК-матриц, которые используются в современных видеопроекторах.

Предпринимаются также попытки создать дисплей, на котором голограмма формируется с помощью луча лазера, проходящего через кристалл. На кристалл подаются интерференционная картинка и акустические колебания, заставляющие проецируемое изображение «поворачиваться» последовательно всеми гранями к плоскости фокусирующей линзы. Пройдя через систему вращающихся зеркал, луч попадает на выходной каскад, состоящий из линз и рассеивающих экранов, и достигает глаз зрителя.

Несмотря на успехи в развитии голографических дисплеев, их выход на рынок произойдет не скоро. Во-первых, этому мешают их огромная стоимость и сложность изготовления. Во-вторых, даже при воспроизведении статичного изображения процессор должен обрабатывать несколько гигабайт в секунду. Полноценное движущееся изображение потребует на порядок большего объема вычислений, что пока недостижимо.

Волюметрические дисплеи. Свое название этот тип дисплея получил от воксела — светящейся в пространстве точки, в отличие от пиксела — светящейся точки на плоскости.

Все рассмотренные до этого варианты рассчитаны на «обман» глаз и мозга. На плоской поверхности прорисовывается изображение, воспринимаемое зрителем как объемное. Волюметрические дисплеи в общем случае представляют собой стеклянную сферу на подставке, внутри которой создается реальная 3D-картина. Она может формироваться двумя методами — проекции и засветки.

В первом способе внутри стеклянной сферы располагается светодиодный экран сложной формы. Вращаясь с большой скоростью вокруг своей оси и зажигая в нужных местах вокселы, он создает изображение, как в «волшебном шаре».

В случае использования второго метода экраном служит непрозрачный вращающийся элемент или зеркало, вокселы на котором засвечиваются трехцветным (RGB) лазером. Сложность заключается в создании такого экрана, на который можно спроецировать точку в любом месте сферы. В большинстве случаев используется что-то наподобие сегмента конусообразного сверла или витка спирали. Подобный монитор разработан, например, в рамках проекта FELIX 3D.

В каждый момент формируется изображение только 1 воксела, а всего за один оборот — около 10 000 вокселов (при скорости вращения экрана 20 с–1).

Компания Actuality Systems использует в модели Perspecta плоский 10-дюймовый экран, вращающийся вместе с системой зеркал для проецирования изображения размером 768×768 пикселов. При максимальном разрешении изображение рисуется в 8 цветах (3 бита). Для формирования картинки используется сигнальный процессор Texas Instruments производительностью 1600 MIPS. Объем встроенного буфера, предназначенного для хранения двух кадров — 6 Гбит.

На сегодняшний день только волюметрические дисплеи получили реальное воплощение. Они применяются в аэропортах и диспетчерских службах, позволяя без искажений видеть реальную картину с углом обзора 360° по горизонтали и 250...270° по вертикали.

Наконец, нельзя не упомянуть перспективную 3D-технологию на активно-матричных органических светодиодах AMOLED (Active-matrix Organic Light Emitting Diode). В них каждый пиксел является активным источником света, так что ему не требуется дополнительная подсветка. Кроме того, AMOLED-дисплеи обладают широким охватом цветовой гаммы и экономичны. К сожалению, пока такие дисплеи слишком дороги и имеют короткий срок службы, и до коммерциализации этой технологии пока далеко.

Эффект Пульфриха

Все рассмотренные нами подходы основывались на создании разных изображений для правого и левого глаз. Однако трехмерное изображение можно получить и с помощью одного изображения, использовав эффект Пульфриха. Это оптическая иллюзия, основанная на том, что мозг распознает темные оптические раздражители дольше, чем светлые.

Одно стекло в очках затемнено. Хотя оба глаза видят одну и ту же картинку, затемненное изображение поступает в мозг немного позже. В результате мозг «придумывает» информацию о глубине, которой на самом деле нет. К сожалению, данный эффект работает только для движущихся объектов. С другой стороны, достоинство подхода заключается в том, что видеоконтент можно просматривать как с очками, так и без них — в обоих случаях зритель видит нормальную картинку, только она будет либо плоской, либо трехмерной.

Разделение изображений

При передаче двух изображений по каналу, рассчитанному на 2D-сигнал, всегда приходится поступаться разрешением изображения, скоростью смены кадров или глубиной цвета пиксела.

Один из подходов предполагает поочередное воспроизведение кадров для левого и правого глаз. Для просмотра потребуются очки с затвором, который синхронно закрывает то правый, то левый глаз.

Второй, более распространенный подход — одновременная передача двух изображений в одном кадре. Изображения располагаются рядом друг с другом по горизонтали или вертикали, чересстрочной разверткой или блоками в шахматном порядке. Воспринимаемая зрителем картина при этом имеет вдвое меньшее разрешение по горизонтали или вертикали. Кроме того, ПО, установленное на принимающем устройстве, должно поддерживать выбранный формат представления кадра.

Стандарт HDMI

High-Definition Multimedia Interface (HDMI) — стандарт передачи многоканальных цифровых аудиосигналов и цифровых видеосигналов с высоким разрешением. Поддержка 3D-видео появилась в HDMI начиная с версии 1.4. В марте текущего года была одобрена версия HDMI 1.4а с расширенной поддержкой 3D-изображения. Стандартом HDMI 1.4а определены следующие 3D-форматы:

Одно изображение в кадре:

– 720p с частотой 50 или 60 Гц;

– 1080p с частотой 24 Гц.

Два изображения в кадре:

– 1080i с частотой 50 или 60 Гц (горизонтальная развертка);

– 720p с частотой 50 или 60 Гц (вертикальная развертка);

– 1080p с частотой 24 Гц.

Заметим, что несмотря на отсутствие полноценной поддержки 3D в некоторых случаях интерфейс HDMI 1.3 может использоваться для передачи трехмерного видеоконтента. Стандартом предусмотрены два типа кабелей: категории 1 и категории 2. Первый способен передавать данные со скоростью от 2,25 Гбит/с, то есть нельзя заранее утверждать, что его пропускной способности не хватит. Кабель категории 2 поддерживает скорость передачи до 10,2 Гбит/с. Этого вполне достаточно для воспроизведения без сбоев.

Стандартом HDMI 1.4 предусмотрены опциональные возможности, такие как канал возврата аудиосигнала или подключение к Ethernet.

Основными разработчиками и производителями решений с поддержкой HDMI являются компании Intel, AMD, nVidia, Panasonic, Analog Devices, Texas Instruments, Broadcom, Silicon Image, STMicroelectronics, NXP Semiconductors, Analogix Semiconductor, Gennum, MStar Semiconductor, Parade Technologies, RedMere Technology, TranSwitch и Zoran.

Стандарт Full HD 3D

Для передачи несжатого сигнала Full High Definition 3D (FHD3D) необходим плеер 3D Blu-ray, подключенный через интерфейс HDMI к телевизору. Сигнал FHD3D передается со скоростью 6,75Гбит/с. Напомним, что максимальная скорость передачи, разрешенная стандартом HDMI 1.4, составляет 10,2 Гбит/с, как и в HDMI 1.3.

Как показано на рисунке 3, сдвоенный кадр FHD3D имеет разрешение 1920×2205 пикселов. Это два расположенных друг под другом стандартных кадра 1920×1080 для левого и правого глаз, разделенные полосой гашения, содержащей 1920×45 пикселов.

Рис. 3. Сдвоенный кадр FHD3D

Преимущество стандарта FHD3D в том, что он первый и пока единственный совместим с дисплеями, не поддерживающими FHD3D. Это важно, поскольку многие убеждены, что существующие ЖК-дисплеи с частотой развертки 120 или 240 Гц необходимо дорабатывать, чтобы они смогли отображать видео формата Blu-ray FHD3D. На самом деле для этого достаточно просто поставить преобразователь, хотя разрешение кадра ухудшится до 960×1080 пикселов для каждого изображения. По планам Mitsubishi, такие адаптеры появятся в продаже уже этой весной.

Все плееры 3D Blu-ray воспроизводят FHD3D-контент со скоростью 24 кадра/с. В ЖК CCFL-дисплеях с задней подстветкой сигнал FH3D HDTV преобразуется в два кадра (левый и правый), который попеременно отображаются с частотой 240 Гц (синхронно с затвором очков, который дает 120 изображений в секунду для каждого глаза). Во всех существующих плазменных дисплеях сигнал 3D Blu-ray преобразуется из двойного вертикального кадра в последовательные с частотой 120 Гц, по 60 изображений для каждого глаза.

Вместе с развитием аппаратных средств воспроизведения разрабатываются стандарты 3D-кодирования. Уже используется расширение Multiview Video Coding (MVC) к стандарту MPEG-4 H.264 AVC, который принят Ассоциацией Blu-ray disc в качестве рабочего 3D-формата благодаря полноценной обратной совместимости с традиционными 2D плеерами Blu-ray. MVC кодирует два синхронных потока видео высокого разрешения, которые предназначены для просмотра правым или левым глазом соответственно. Синхронизация этих двух потоков осуществляется с помощью стереоскопических очков.

Для обеспечения работы стандарта 3D HDTV в настоящее время ведется разработка расширения кодека MVC, называемого MVD (Multiview Video Depth) или 3DV. В MVD предусмотрено кодирование 12 дополнительных слоев, обеспечивающих создание многоуровневого трехмерного изображения.

Рынок

Что касается перспектив развития мирового рынка 3D-телевизоров, маркетинговая компания DisplaySearch дает на этот счет такой прогноз: в 2010 г. количество моделей с маркировкой «3D ready TV» вырастет до 1,2 млн с 200 тыс. штук в 2009 г. В таблице 1 приведен прогноз DisplaySearch отдельно для рынка США.

Таблица 1. Рынок 3D-дисплеев и телевизоров в США (прогноз DisplaySearch)

Год

2009

2010

2011

2012

2013

2014

2015

2016

2017

2018

Дисплеи, млн. шт.

0,75

2,4

7,5

19,1

35,6

58,2

84,8

112,6

144,9

195,9

Телевизоры, млн. шт.

0,2

1,2

4,1

9,1

16,0

25,4

36,2

45,8

53,7

64,0

Дисплеи, млн. долл.

346

920

2565

4844

7564

11020

14584

17296

19349

22034

Телевизоры, млн. долл.

292

778

2129

3977

6223

9136

12108

14179

15423

16925

Ведущие производители телевизоров, такие как Samsung Electronics, LG Electronics, Sony и Panasonic, уже вступили в борьбу за долю рынка трехмерного видео. Так, одной из первых компаний, уже объявивших о начале серийного производства панелей для 3D-телевизоров, стала Samsung Electronics. Во второй половине января компания обнародовала пресс-релиз, в котором было объявлено о подготовке к массовым поставкам трехмерных ЖК-телевизоров как с традиционной, так и со светодиодной подсветкой. Первоначально компания планирует выйти на рынок с 3D Full-HD панелями диагональю 40, 46 и 55 дюймов. Для просмотра 3D-контента потребуются активные 3D-очки с затвором.

Литература

1. Dipert, Brian. «Balancing in three dimensions»//EDN, 27 апреля 2000 г., стр. 54.

2. Fremer, Michael. «3D HDTV and HDMI explained»//HD Guru, 22 февраля 2010 г.

3. www.hdmi.org

4. Dipert, Brian. «Coming soon: 3-D TV»//EDN, 8 апреля 2010 г.

5. Кириллов К. «Дисплеи XXI века. 3D — экраны».

6. Романченко В. «IT-Байки: будущее 3D видео — за жидкими кристаллами»//www.3dnews.ru/editorial/it_3d_liquid.



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Валерий Никифоров, техн. консультант, «ИД Электроника»



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 
 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2017 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты