avagy illúzió három dimenzióban
(2010. március)
A „háromdimenziós” mozgókép (talán nem mindenki tudja) több mint száz éves múltra tekint vissza. A filmtechnikában az elmúlt 60-70 évben több hullámban vissza-visszatért a térbeli megjelenítés igénye, mígnem az IMAX 3D kidolgozásával, majd csakhamar más, már a digitális vetítéstechnikára alapozott rendszerek kifejlesztésével (RealD, XpanD, Dolby 3D, Masterimage) egész 3D mozihálózatok jöttek létre az egész világon, persze főleg a fejlett és „tehetősebb” országokban. A televízió területén és az otthoni vetítésben azonban a robbanás éppen mostanában következett be, és a 3D otthonokba való bevonulásának folyamata éppen elkezdődött.
Valamennyi múltban használt vagy jelenleg elterjedt 3D eljárás az ún. sztereoszkópikus képfelvételen és reprodukción alapul, amelynek lényege – mint már annyiszor a mozgókép történetében – az emberi látás (ezúttal a binokuláris térlátás) sajátosságainak kihasználása, az érzékelés "becsapása".
Nézzük meg közelebbről, hogy miről is van szó!
A 3D kép mint érzet
Azt, hogy mi a háromdimenziós valóság, nem kell magyarázni, mindenki tapasztalatból tudja. A valóság leképezése, azaz a kép, a maga fizikai természetét illetően – legyen az távcső, filmkamera vagy az emberi szem által alkotott kép –, mindig síkbeli, kétdimenziós. Egyetlen eljárás van, amellyel fizikailag is háromdimenziós kép hozható létre, erről is ejtünk majd néhány szót.
Vagyis amikor háromdimenziós (3D) képről beszélünk, valójában szinte sohasem arról van szó, hogy maga a kép lenne fizikailag térbeli, hanem ez a minősítés a bennünk keletkező érzetre vonatkozik. Két szemünknek köszönhetően a valóság szemlélésekor látásunk ezt az érzetet eredendően produkálja, hiszen agyunk a két szem által alkotott eltérő kétdimenziós képekből mélységi információt képes kinyerni. A valóság ugyanazon szeletéről a két szemünkbe érkező információ ugyanis nem ugyanaz, részben az eltérő nézési szög, részben a különböző távolság miatt (kivételes esetektől eltekintve). Az eltérések egy nem túl közeli tárgy nézésekor csekélyek, de az agyunk számára éppen elegendőek. Az eredmény: valódi térlátás, amelynek alapján képesek vagyunk viszonylag pontosan megbecsülni a tárgyak közötti távolságokat, a különböző irányokban mozgó objektumok relatív sebességét stb. Ez az elmúlt évezredekben szó szerint életbevágóan fontos is volt a pl. a zsákmányszerzés vagy a menekülés során .
A 2D-ből is lehet „3D”?
Mi a helyzet azonban egy kétdimenziós kép (festmény, fotó, TV-képernyő, vetítővászon) szemlélésekor? Ilyenkor hiába a két szem, ettől még nem lesz a kép háromdimenziós, ámbár agyunk kiemelkedő képessége, hogy a hiányzó mélységi információt bizonyos mértékig képes pótolni a 2D képen látott perspektíva, az árnyékok, a takarások stb. értékelésével, és nem utolsó sorban a környezetünk megismerése során szerzett és beprogramozott tapasztalatok (emlékképek) alapján.
Ezért mondja több filmes szakember – félig tréfásan, félig komolyan –, hogy az első 3D film a Lumiére fivérek Vonat érkezése c. 1895-ös munkája volt, ugyanis a kép kétdimenziós mivolta ellenére a mozdony gyors közeledő mozgása képes volt hatalmas riadalmat kelteni a nézőkben – vagyis erőteljes „térbeli” hatása volt. Más szóval, a legtöbb kétdimenziós álló- vagy mozgókép alkalmas a három dimenzió bizonyos illúzióját nyújtani.
Ez persze nem ugyanaz, mint a valódi háromdimenziós térérzet. A kutatók, feltalálók fantáziáját már a mozgókép első botladozó lépéseivel szinte egyidőben megmozgatta a háromdimenziós képfelvétel és képvisszaadás ideája. Több mint száz éven át újra és újra próbálkozások történtek ennek megvalósítására. A sík felületen reprodukált kétdimenziós kép önmagában nem nyújt igazi térérzetet.
Megjegyezzük – bár ezzel kicsit előreszaladunk –, hogy ügyes képfeldolgozó algoritmusokkal a kétdimenziós képből is előállítható két olyan eltérő kép, amelyek megközelítően „leutánozzák” a két kamerával, vagy kettős kamerával felvett képek közötti fázisbeli és nézési szög különbséget, így egy raffinált jelfeldolgozás után 2D filmjeink is megnézhetők „kvázi-3D” módban (azaz mintha a felvétel kétkamerás módszerrel készült volna, lásd később).
Holográfiás képalkotás
Szigorúan nézve a valódi háromdimenziós kép létrehozását, a feladat az lenne, hogy a 3D valóság minden egyes pontjához hozzárendeljük a 3D kép minden egyes pontját. Ez nem egy sík felületen (vásznon, képernyőn) megjelenített képet, hanem valódi térbeli leképezést jelent. Mivel az így elgondolt kép ténylegesen, fizikailag is térbeli, ezért körbejárható, bármilyen szögből megtekinthető, benézhetünk a tárgyak mögé stb. Egyelőre beszéljünk csupán egy állóképről!
Ilyen leképezés holográfiás (holografikus) úton hozható létre, hologram rögzítésével, majd erről a valódi térbeli kép rekonstrukciójával. Maga a hologram sajátságos módon egy (sík filmre rögzített) interferenciakép, amely nem is emlékeztet egy valódi képre, pláne nem egy térbeli képre, mégis tartalmazza az összes információt ahhoz, hogy a háromdimenziós valóság képe tökéletesen helyreállítható legyen. A helyreállítás, csakúgy, mint az interferenciakép létrehozása azonban csakis koherens fénnyel, lézerrel végezhető el.
Holográfiás 3D kép létrehozásának elve (Gábor Dénes nyomán)
A holográfia részleteibe itt nem akarok belemenni, rengeteg információ van róla az írott és az elektronikus szakirodalomban. Annyit azonban érdemes tudni, hogy feltalálója honfitársunk, Gábor Dénes, az időpont 1947, és a találmány az elektronmikroszkóp tökéletesítéséhez kapcsolódott, nem az optikai hologram létrehozásához. Ez utóbbi első megvalósítása jó tizenöt évvel későbbi, mivel az elkészítéséhez szükséges lézer csak ekkortól állt rendelkezésre. A holográfiának ma már rengeteg, főleg tudományos és ipari alkalmazási területe van, de a mozgókép világában nem sikerült teret nyernie.
Hologramról nyert 3D kép (Massachusetts Institute of Technology)
Noha az 1970-es évektől kezdve rengeteg találmány született a gyakorlati nehézségek megoldására (hiszen a módszer megvan, hologramok sorozatának egymás utáni kiolvasásával – akár egyetlen lemezről – hasonlóan létrehozható a mozgókép, mint hagyományos módon), megmaradtak olyan problémák, amelyek megakadályozták a filmhez vagy a videóhoz hasonló médium megszületését. Képzeljünk csak el, hogy pl. egy játék- vagy dokumentumfilm külső helyszíni jeleneteit hogyan tudnánk ilyen módon rögzíteni (koherens fénnyel való megvilágítás!)? Nem csoda, hogy néhány kezdetleges kísérlettől eltekintve a mai napig nem készítettek igazi „holofilmet”, nem működik egyetlen „holomozi” sem. A „holo” kifejezést azonban igencsak sok mindenre ráragasztják, aminek kevés köze van a holográfiához.
Megoldás a mai szinten: sztereoszkópikus 3D
Szerencsére kevésbé „szigorú” megközelítéssel is létrehozható csaknem tökéletes mélységérzet, noha a rögzített és reprodukált kép(ek) fizikailag síkbeli(ek) marad(nak). A megoldás az, hogy térlátásunk fent említett sajátosságaiból kiindulva – két eltérő perspektívájú kép rögzítésével és reprodukálásával – az érzet szintjén előállítható háromdimenziós kép, ámde anélkül, hogy fizikailag szükséges lenne a háromdimenziós leképezés. Mindenképpen gondoskodni kell azonban arról, hogy az egyik, illetve másik szemünknek szánt kép csakis a megfelelő szemünkbe jusson!
Mint már szó volt róla, egy-egy szemünk külön-külön egy-egy síkbeli képet hoz létre az ideghártyán. Ebből a két síkbeli képből alkotja meg agyunk a térérzetet, mivel e két kép – ha kis mértékben is – különbözik egymástól, és pontosan ez az eltérés teszi lehetővé, hogy hozzánk közelebb-távolabb lévő tárgyak valódi méreteit, ill. a közöttük lévő távolságot jól fel tudjuk mérni.
Sík képfelület nézésekor 3D érzet akkor keletkezhet, ha a két szemünkbe más-más, de egymástól csak olyan mértékben eltérő információ jut, mint a valódi világ szemlélésekor. A mai 3D képalkotó és képvisszaadó eljárások mindegyike ezen az elven alapul (sztereoszkópikus háromdimenziós képalkotás). Kérdés, hogy az elektronikus képtechnikában ez hogyan valósítható meg a gyakorlatban úgy, hogy az illúzió igazán elfogadható legyen? Nos, a rövid válasz az, hogy egyfelől sztereoszkópikus képfelvétellel (pl. kettős kamerával, átlagos szemtávolságban lévő képérzékelőkkel), magyarán két képcsatorna létrehozásával a felvételi oldalon, másfelől a két kép szétválasztott megjelenítésével a vetítővászon (vagy a síkpaneles képernyő, monitor) felületén, illetve a szintén elkülönített célba (a két szembe) juttatásával különleges szemüveggel, esetleg különleges felületkialakítással a megjelenítés oldalán. A képernyőre/vászonra KÉT eltérő síkbeli képet kell kiadni, időben egyszerre vagy egymást követően, felváltva. A szemüveg két „lencséje”, illetve a speciálisan kialakított felület (szemüveg nélkül) gondoskodik arról, hogy az egyik/másik szemnek szánt információ csakis az egyik/másik szembe érkezzen.
A szemüveg nélküli sztereoszkópikus 3D megjelenítés (autosztereoszkópia) kutatása nagy erőkkel folyik, de egyelőre ez a technika nem piacképes, vagy legalábbis komoly hátrányban van. Legfőbb előnye éppen a „szemüveg nélküliség” lenne, ám az eddig kifejlesztett, különleges kialakítású képernyők (a panel elé helyezett parallax barrier, azaz parallaxis-gát segítségével) nem tudták megoldani azt a kardinális problémát, hogy a kép, illetve a háromdimenziós látvány független legyen a néző helyétől. A legtöbb esetben már fejünk kis elmozdítása is nagy változást okoz. A képernyő előtt elsétálva, bizonyos pozíciókból szinte tökéletes 3D kép nézhető, más helyekről azonban elmosódott, életlen, élvezhetetlen lesz a látvány. Tehát a szemüveg viselésének kényszerét a mereven egy helyben maradás kényszere váltja fel. Kérdés, hogy melyik a kényelmetlenebb? Ezen túlmenően a szemüveg nélküli megoldás egyelőre lényegesen költségesebb.
Maradjunk tehát a szemüvegnél!
„Szemüveges” 3D megjelenítés
Időrendben az első, távolról sem tökéletes, és ma már csak ritkán használt módszer a két szemnek szánt információk szétválasztása komplementer színszűrőkkel (anaglif módszer). Általában a vörös-cián (köznapi, bár helytelen elnevezéssel piros-kék) vagy ritkábban zöld-bíbor színpárokkal történik a szeparáció. Az ezekben a színekben megjelenített két „részkép” a képernyőről vagy a vászonról azután a vörös-cián (vagy zöld-bíbor) szemüvegen keresztül jut el a bal, ill. a jobb szembe.
Vörös-cián és zöld-bíbor anaglyph szemüvegek
Ugyancsak a színszűrés elvén működő, de RGB színszűrő-hármasokat (interferenciaszűrőket) használó, korszerű, és gyakorlatilag tökéletes képminpséget produkáló eljárás a Dolby 3D, amelyet külön írásban mutatunk be részletesen (A Dolby 3D vetítési rendszer).
A másik – először a 3D filmtechnikában megjelent – módszer a polarizációs szeparáció. A színszűrőt ekkor polárszűrő helyettesíti, amely a fény hullámtermészetét, illetve a fényhullámok polarizálhatóságátt hasznosítja. Mint elektromágneses hullám ugyanis a fény nem más, mint az egymásra merőleges elektromos és a mágneses erőtér rezgése a terjedési irányra merőleges síkban (tranzverzális hullám). A nem polarizált közönséges fényben a térerősség vektorok bármilyen irányt felvehetnek, elfordulhatnak. A polárszűrő nem tesz mást, mint hogy ennek a rezgésnek csak bizonyos irányú összetevőjét engedi át: esetünkben az egyik szűrő mondjuk csak a fény vízszintes polarizációjú, a másik a függőleges polarizációjú összetevőjét, vagy ami a még gyakoribb, a jobbra forgó polarizációjú, illetve a balra forgó polarizációjú hullámokat. Ilyen szűrőkkel ellátva a projektor(oka)t, illetve a szemüveget, elérjük, hogy az egyik kép csak az egyik szemünkbe, a másik kép csak a másik szemünkbe jut – miközben a két kép egyszerre (vagy egymás után) jelenik meg a vásznon vagy a képernyőn. A polárszűrős 3D vetítés megvalósítható egyprojektoros vagy kétprojektoros változatban is.
3D film nézése polarizációs szemüveggel
Végül a harmadik (időrendben legújabb) eljárás a kitakarásos (shutter típusú) képváltás, amikor a két kép időben egymás után érkezik a megjelenítő felületre (akár vászonról, akár monitorról van szó), a szemüveg pedig egy ún. aktív LCD szemüveg, amely a bal, ill. jobb szemnek szánt képek váltásával szinkronban váltja át (teszi áteresztővé) hol a szemüveg bal felét, hol a jobb felét.
Az otthoni használatra szánt 3D-ready digitális projektoroknál (és tegyük hozzá, a legtöbb 3D televíziónál) is ez utóbbi módszert alkalmazzák, mert viszonylag egyszerű egyetlen projektorral megoldani a 3D vetítést, „csupán” a képfrekvenciát kell pl. 120 Hz-re növelni (60 Hz helyett), vagy (ha megszületik az új Blu-ray 3D szabvány) talán 144 Hz-re (72 = 3 x 24 Hz helyett), mert persze a minőség megtartása ezt szükségessé teszi. Na és természetes a megfelelő időzítésről is gondoskodni kell (szinkronitás a vetítő és a szemüveg között).
Aktív LCD szemüveg (shutter típusú 3D szemüveg)
A különböző sztereoszkópikus 3D eljárások megértéséhez nagyon jó szemléltető ábrák találhatók a https://www.onlineschools.org/blog/how-3d-works/ webhelyen.
A fenti vázlatos bemutatás célja pusztán a téma felületes áttekintése volt, a technikai részletkérdésekkel várhatóan még sokat fogunk foglalkozni ezen a weboldalon.
Nagy Árpád
