2011. január
A bal és a jobb szemünknek szánt képek szétválasztása színszűrők segítségével elég hosszú múltra tekinthet vissza. A klasszikus piros-kék (vörös-cián, zöld-bíbor) szemüveggel nézhető 3D képek ennek egyszerű példái (anaglif 3D). A technika igen olcsó és vetített alkalmazásokban is használható, de a képminősége gyenge, és nem alkalmas a színek kellően valósághű megjelenítésére. Van azonban egy korszerű változata is a bal és a jobb szemnek szánt kép színszűrős, azaz hullámhossz szerinti szétválasztásának, amely teljesen korrekt és kiváló minőségű 3D képet tud előállítani. Hogy mást ne mondjunk, az Avatar londoni ősbemutatója is Dolby 3D vetítőrendszerrel történt.
Az eljárás alapjainak kidolgozója a német INFITEC cég, amely 2006-ban szövetségre lépett a Dolby-val, így a 3D vetítéstechnikában ezt a rendszert manapság Dolby 3D néven emlegetjük. Ez az írás kiegészítésnek is tekinthető a 3D kép és 3D valóság című, a 3D alapjairól szóló írásunkhoz.
A Dolby 3D komoly szereplője a 3D mozipiacnak, illetve konkurrense a többi főszereplőnek, mint a RealD (polarizációs szétválasztás, passzív szemüveg), XpanD (szekvenciális szétválasztás és aktív shutter szemüveg alkalmazása) vagy a Masterimage (szintén polarizációs szétválasztás, passzív szemüveg). A néző a Dolby 3D esetében a képet ugyancsak egy passzív (de nem polarizációs) szemüveggel nézi, mint a RealD vagy Masterimage esetében, ez azonban a sokrétegű szűrő(k) miatt drágább, mint a polárszemüveg, de olcsóbb, mint az aktív LCD szemüvegek – és nem szükséges a polarizációs eljárásnál szükséges drága és speciális ezüstvászon. A két képcsatorna vetítési szeparációja és a szemüveg „lencséi” is egészen más elven működnek, mint a polarizációs megoldásnál. Viszonylag új fejlemény, hogy a házimozi szegmensben is megjelent első, igaz, kétprojektoros Dolby 3D vetítő (projectiondesign).
A digitális mozikban már széles körben használt Dolby 3D vetítőrendszer tipikusan egy háromchipes DLP projektorból, és a beépített (de szükség esetén eltávolítható) forgó Dolby 3D szűrőtárcsából áll. A tárcsa egyik fele („A” szűrő) szűri a fényforrás (xenon vagy UHP lámpa) fényét a bal kép, a másik fele („B” szűrő) a jobb kép létrehozásához, pontosabban a fénymodulátor chipek megvilágításához, a bal és a jobb kép váltakozásával szinkronban. Mint látni fogjuk, a két kép szétválasztása gyakorlatilag „áthallásmentes”. A néző szemüvegének „lencséi” hasonló, speciális, egymástól eltérő színszűrők, szintén tökéletesnek mondható szétválasztási képességekkel.
Eddig a dolog egyszerű, a fő kérdés, hogy maguk a szűrők milyenek, és hogyan tudnak gondoskodni a tökéletes szeparációról.
Az Infitec/Dolby 3D hullámhossz-multiplex szűrés
Az Infitec színszűrésen alapuló 3D megoldását a korszerű interferenciaszűrők tették lehetővé, amelyekről a cikk végén még részletesebben szót ejtünk. Legfontosabb jellemzőjük, hogy ellentétben az abszorpciós, azaz a fényelnyelés/áteresztés elvén működő szűrőkkel, az interferenciaszűrők (más néven dikroikus szűrők) nagyon meredek, és keskeny hullámhossz-tartományú szűrést tudnak létrehozni, és megoldható az is, hogy egyetlen sokrétegű szűrő több keskeny tartományt átteresszen, másokat (tükörszerűen) teljesen visszaverjen. A dikroikus szűrőkben fényelnyelés gyakorlatilag nincs.
A 3D szeparáció alapelve az Infitec/Dolby 3D esetében éppoly szellemes és eredeti, mint amennyire egyszerű. Közismert, hogy a hagyományos 2D kép színeinek létrehozásához a kijelző eszközök, kevés kivételtől eltekintve, három alapszínt használnak (vörös, zöld és kék), amelyeket többnyire széles spektrumú „fehér” fényforrás fényéből – dikroikus vagy abszorpciós szűrőkkel – nyernek.
A 3D esetében a két képhez tartozó „A” és „B” szűrők valójában dikroikus RGB szűrőhármasok, keskeny (20-40 nm) és meredek áteresztési karakterisztikával a spektrum vörös, zöld és kék tartományában. A lényeg azonban most következik: a keskeny R, G, B áteresztési sávok NEM UGYANOTT vannak az „A” és a „B” szűrők spektrumában. Pontosan annyival vannak eltolva egymáshoz képest, hogy ne legyenek átfedésben. Ennek következtében, amit az egyik szűrő átenged, azt a másik teljesen visszaveri, és fordítva.
Ha a szűrőkön átengedett fényt nézzük, egy R1, G1, B1 és egy R2, G2, B2 színhármast kapunk, amelyek, ahogy mondtuk, nincsenek átfedésben, és amelyeket a fénymodulátor egység (a három chip) a képtartalomnak megfelelően felváltva modulál. (Persze a projektor saját színszűrői is benne vannak a fény útjában, ezek azonban sokkal szélesebb sávúak, és mindkét spektrumot áteresztik.)
A spektrálisan szeparált bal és jobb képeket a projektor szekvenciálisan kivetíti, a néző szemüvegének hasonló szűrőlencséi pedig gondoskodnak arról, hogy az „A” kép csak a bal szembe, a „B” kép pedig csak a jobb szembe jusson.
Az Infitec/Dolby 3D alapelvének sematikus szemléltetése. Az a) ábra azt mutatja, hogy a 2D projektorok három alapszíne általában egy-egy viszonylag széles tartománnyal szemléltethető. A valóságban ezek persze nem téglalapok, és a színspektrum a frekvenciatengelyen folytonosan változik. A b) és a c) ábrán az látható, hogy az Infitec/Dolby 3D kétféle RGB szűrőkészlettel a bal, illetve a jobb szemnek szánt képet spektrálisan szeparálja, majd a néző szemüvege hasonló szűrőhármasokkal különíti el ezeket
A két szem tehát más-más színhármasból rakja össze a bal, illetve a jobb képet, de ezek sajátságos módon – bizonyos feltételek esetén – az agyunkban egyetlen kvázi színhelyes 3D képpé egyesülnek. Mivel azonban összességében a színvisszaadásnak teljesítenie kell a szabvány (digitális mozi esetén a DCI, a házimozinál többnyire a HDTV Rec. 709) követelményeit, a gyakorlatban mindkét csatornában színkorrekció szükséges, amely elektronikusan elvégezhető.
A fentiekben az elvi megoldást mutattuk be, most nézzük meg, hogyan jutottak el a fejlesztők a mai megoldásig!
Két lámpa, két szűrő, két objektív?
Az Infitec a kutatás első fázisában a megvilágító fény szűrése mellett a kép szűrésével is kísérletezett, továbbá a kétlámpás, kétobjektíves (kétprojektoros) megoldással is próbálkozott, amelynek vázlata itt látható.
Kétlámpás, kétobjektíves (lényegében kétprojektoros) megoldás, amelynél a két szűrőt a fényforrások elé és az objektívek elé is el lehet helyezni. Talán a költségessége miatt később nem ezt választották, viszont egy projektor esetén a szűrőket kell váltogatni, célszerűen osztott forgó szűrőtárcsával. Egy forgó tárcsát viszont már célszerűbb a gép belsejébe, a lámpa elé helyezni, mint az objektív elé
A gyakorlatban azután – mint ezt már megbeszéltük – a Dolby 3D rendszerben az osztott forgó színszűrős (a szűrőtárcsa egyik fele R1, G1, B1, a másik fele R2, G2, B2), egyprojektoros megoldás bizonyult a legoptimálisabbnak, amelynél a szűrőtárcsát közvetlenül a lámpa fényének útjában helyezték el, a képalkotó chipek előtt.
A Dolby 3D projektor mai tipikus megvalósításának vázlata 3 DLP chipes engine-nel
Szűrőtárcsa, színgamut, színkorrekció
Az Infitec/Dolby 3D szűrőtárcsa két fele által áteresztett fény, akárcsak maga a két tárcsafél, kissé elszínezett, éspedig eltérő módon. A fény elszíneződése úgy jelentkezik, hogy a bal szemnek szánt kép kissé pirosas, a jobb szemnek szánt kép pedig zöldes. Ennek oka a két szűrőtárcsafél színhármasainak pozíciójában keresendő. A gyakorlatban az RGB pozíciókat célszerűen úgy alakítják ki a szűrőkön, hogy az egyik tárcsafél RGB domináns hullámhossz-értékei a projektor natív alapszín-hullámhosszaitól, illetve a szabványos pl. DCI hullámhosszaktól balra legyenek, a másik szűrő RGB domináns hullámhosszai pedig jobbra.
Ennek azonban van egy következménye: a bal képhez tartozó R1 színösszetevő frekvenciában közelebb kerül a szem „vörös” receptorának érzékenységi maximumához, míg a jobb képnél a G2 zöld színösszetevő közelíti meg a „zöld” érzékenységi maximumot. A két kép egyidejű nézésekor a szemüveggel, azaz 3D-ben azonban a legtöbb nézőnél ez az elcsúszás szinte észrevehetetlenné válik. Az így látott színek azonban még mindig eltér(het)nek a szabványos alapszíneknek és színhőmérsékletnek teljes mértékben megfelelő kép színeitől. Ezért a fénymodulátorra érkező R, G, B jeleken elektronikus színkorrekciót kell elvégezni a következő egyszerű módon:
Egy mátrixáramkör a bejövő jelek lineáris kombinációjából előállítja az új R’, G’, B’ jeleket az R’ = k11×R + k12×G + k13×B, G’ = k21×R + k22×G + k23×B, B’ = k31×R + k32×G + k33×B összefüggések alapján, ahol k11, k12 stb. konkrét számértékeket (állandókat) jelölnek, és ezt természetesen mind a bal, mind a jobb szem számára el kell végezni, azaz az egyik esetben az R’-G’-B’ az R1-G1-B1 színhármas, a másik esetben az R2-G2-B2 színhármas lineáris kombinációja.
2D anyagok vetítésekor a kettős szűrőtárcsát a fényútból kihúzzák, és „csak” a szokásos színkalibrálás szükséges a helyes színvilág beállításához.
Dolby 3D szűrőtárcsa egy NEC gyártmányú 3 DLP chipes moziprojektorban. A képen a tárcsa egyik fele a tükröző felület miatt látszik ennyire pirosnak, az áteresztett spektrum nem ennyire színeződik el
A szűrőtárcsa két feléhez, mint a fentiekből következik, más-más színgamut és színhőmérséklet (fehérpont) is tartozik, mint a következő ábra mutatja:
Az R1-G1-B1 színháromszög (színgamut) természetesen eltérő az R2-G2-B2 háromszögtől, és a fehérpontok sem esnek egybe, mindkettő eltér a szabványostól az alapszínekben és a fehér színhőmérsékletében is. Ezért a Dolby 3D rendszerekben elektronikusan korrigálják a színeket, hogy eredőben meglegyen a szabványoshoz való igazodás
Fényspektrum a szűrők után
Két példán, amelyek az Infitec Fehér Könyvéből származnak, bemutatjuk, hogy egy viszonylag egyenletes, tüskéktől és nagy kilengésektől mentes spektrumú fényforrás, illetve egy manapság a legszélesebb körben használt UHP projektorlámpa spektruma hogyan módosul a két RGB szűrőhármason (R1, G1, B1 – R2, G2, B2) áthaladva. Mindkét fényforrás fénye széles spektrumú, azaz „fehérnek” tekinthető, noha az előbbi erősen kékhiányos, és a vörös is kevesebb, mint kéne, azaz zöldessárga színezetű, az UHP lámpa fénye pedig közismerten kékes/zöldes (vöröshiányos).
Az a) ábra mutatja a lámpa spektrumát, a b) ábra az egyik, a c) ábra pedig a másik RGB „szűrőkészlet” (valójában egy-egy szűrő) utáni spektrumokat. Jól látszik, hogy a két részspektrum között nincs átfedés
A következő ábra ugyanezt a spektrumszeletelést mutatja az UHP lámpa esetében.
A két szűrő az UHP vetítőlámpa fényét két, egyenként ugyancsak három tartományból álló részre osztja, de ezek szemmel láthatóan nagyon különböznek az előbbi esettől. Az R, G, B hullámhossz-tartományok ugyanazok, de ezeken belül szükségszerűen eltérő a görbék alakja
Levonható az az egyébként evidens következtetés, hogy a szűrés után az R1-G1-B1 és R2-G2-B2 spektrumgörbék pontos alakját és amplitudóját alapvetően meghatározza a megvilágító fény spektruma, ám az összetevők színezetét (a domináns hullámhosszakat), illetve a hozzájuk tartozó színérzetet ez gyakorlatilag nem befolyásolja. Kétségtelen viszont, hogy adott szín additív keverésekor az amplitúdók is meghatározók, azaz adott lámpakonstrukcióhoz ezt is megfelelően korrigálni kell.
A szemüveg
A nagyon ígéretes és a gyakorlatban is bevált Dolby 3D rendszernek van (volt) egy olyan gyenge pontja, amely a szemüveggel kapcsolatos.
A dikroikus szűrők által áteresztett fény hullámhossza ugyanis változó a fénysugár beesési szögének függvényében. Ez két problémát okoz a gyakorlatban: a szűrés hullámhossza megváltozik, ha a néző elmozdítja a fejét, és a szétválasztás (a szemüvegben) esetleg nem lesz többé megfelelő. A másik problémát szintén a dikroikus szűrők szögérzékenysége okozza, mivel íves felületeken, ha nem is lehetetlen, de elég nehéz a megfelelő hullámhossz-érzékenységű dikroikus szűrőt készíteni, ezért hagyományosan sík felületeket használtak (mármint a szemüveg szűrőin), ez pedig korábban vaskos, bizarr szemüveg készítéséhez vezetett. Ez a mozinézők számára nem elfogadható, tömeges használatra nem alkalmas. A szűrők magas fényvisszaverő képessége (a tükröződés) miatt a fényes tárgyak, pl. a KIJÁRAT felirat megjelenhet a néző látóterében.
Ezért speciális technológiát fejlesztettek ki a megfelelő hullámhosszú szűrőknek a lencsék íves felületén való kialakítására, amivel ezek a problémák kiküszöbölhetők. Korábban más szűrőtechnológiákkal is kísérleteztek, mint pl. a „wavelength selective retarder” szűrőkkel, melyek szintén alkalmasak a passzív szemüvegekben való használatra. Ezek azonban polarizált fényt igényelnek, csak akkor használhatók, ha maga a vetítő eleve polarizált fénnyel vetít.
A Dolby 3D szemüveg két „lencséjének” spektrális karakterisztikájára egy példát mutatunk be az ábrán.
Dolby 3D szemüveg jobb, illetve bal „lencséjének” spektrális áteresztési karakterisztikája
Dolby 3D szemüveg
A fényerő-probléma
Akárcsak a polarizáció alapján szeparáló 3D rendszerek és az aktív shutter szemüveges rendszerek esetében, a hullámhossz-multiplex 3D rendszer fényteljesítménye (áteresztő képessége) is jellemzően töredéke az azonos, de 2D tartalmat vetítő készülékhez képest. Ez az érték a gyakorlatban 14% körül alakul. A hullámhossz szerinti szétválasztás technológiájának előnye a polarizációssal szemben, hogy nem igényel különleges vetítővásznat a moziban a 3D vetítéshez. Másfelől az Infitec/Dolby 3D rendszer alacsony fényhasznosítása miatt nagy nyereségű vászonra van szükség, ami a legtöbbször egy új vetítővászon beszerzését jelenti.
Természetesen a vetítőlámpa fényteljesítményének megnövelésével a fényerőcsökkenés problémája tompítható vagy teljesen kiköszöbölhető, de nem mindegy, hogy ez milyen áron (nemcsak a tényleges árat értve ezen) valósítható meg.
A lézerek is kézenfekvő eszközei lehetnének a hullámhossz-szelektív 3D projektoroknak, hiszen hullámhossz-tartományuk igen keskeny (monokromatikus fényről beszélünk), így eleve fölöslegessé válna a vetítőgépben használt szűrőtárcsa, csupán két különböző RGB lézerfényforrást kellene a bal és a jobb kép megjelenésével szinkronban kapcsolgatni. Persze a szemüvegnél továbbra is szükség lenne színszűrőkre a szeparációhoz. A lézer alkalmazásával azonban egyelőre az a baj, hogy a megfelelő (nagy) teljesítményű lézereknek nem hangolható a pontos hullámhossza – amelyiknek meg igen, az egyelőre nem képes a szükséges teljesítményre.
A 2D vetítéstechnikában használatos RGB lézerfényforrás spektrumvonalainak hullámhossza (példa)
Végül kiegészítésképpen pillantsunk bele egy kicsit az interferenciaszűrők működésének „rejtelmeibe”
Rövid adalék: az interferenciaszűrők működése
Ha két vagy több, azonos síkban rezgő hullám találkozik, interferencia lép fel, aminek eredménye az összetevők algebrai összegének megfelelő amplitúdó (szuperpozíció elve). Feltételezhetjük, hogy rövid távolságon a hullámok fázisa állandó, azaz koherensek maradnak. Ilyen feltételek mellett a hullámok „konstruktívan” (egymást erősítő módon), „destruktívan” (egymást kioltó módon) vagy csillapodva interferálhatnak egymással. Mivel a fényerősség (intenzitás) az amplitúdó négyzetével arányos, ha az amplitúdó megduplázódik, az intenzitás a négyszeresére növekszik. Ezzel szemben, ha két, fázisában eltolt fénysugár úgy összegződik, hogy az amplitúdó a felére csökken, akkor az intenzitás már csak az eredetinek negyede lesz.
Egy leegyszerűsített példán bemutatva, ha a λ hullámhosszúságú fény egy levegő-üveg határfelületre merőlegesen esik be, áthalad egy fél hullámhossznyi (λ/2) vastagságú üvegrétegen, majd a félig áteresztő üveg-levegő határfelületnek ütközik, a visszavert komponens fáziskülönbsége éppen λ, fázisban van az eredetivel, és a hullám zavartalanul továbbhaladhat. Ezzel szemben, ha az üvegréteg csak egy negyed hullámhossz vastagságú (λ/4), a visszavert fény kioltó módon, λ/2 fáziskülönbséggel interferál az eredetivel, és semmi sem fog továbbhaladni.
Ha a fény többféle hullámhosszúságú összetevőket tartalmaz, a λi/2 vastagságú rétegen csillapítatlanul csak a λi hullámhosszúságú fényösszetevő halad át, minden más hullámhosszon csillapítás, vagy kioltás következik be.
Az interferenciaszűrő leegyszerűsített működési alapelve. A piros vonalak jelzik a két közeg közötti határfelületeket
Ha a fénysugár a szűrőre nem merőlegesen esik be (lásd a szemüvegről szóló fejezetet), az áteresztett fény hullámhossza el fog tolódni, mivel a szűrőn belül hosszabb a megtett út. Az alábbi ábra mutatja be ezt az esetet, valamint a matematikai összefüggést a hullámhossz változása és a beesési szög között.
Egyetlen elválasztó réteget tartalmazó interferenciaszűrő viselkedése, ha a fény ferdén esik be. A kilépő fény hullámhossza a beesési szögtől függően megváltozik, azaz egy összetett szűrő esetében pl. az áteresztési spektrum eltolódik
A mai interferenciaszűrők az ún. „vékonyréteg interferencia bevonat” (thin-film interference coating) technológiával készülnek. A szűrő sok, félig áteresztő fémoxidokból készült rétegből áll, melyek mindegyike különböző törésmutatójú. A vékony rétegek törésmutatója felváltva magas és alacsony, így minden egyes rétegben a fényhullámok eltérően viselkednek. Általában 3-5 réteg alkot egy csoportot, melyet „üregnek” (cavity) neveznek. Ezeket a vastagabb ún. „távtartók” (spacer) választják el egymástól, amelyek magnézium-fluoridból készülnek. A távtartó rétegek vastagsága λ/2 vagy λ/4 páros számú többszöröse.
Ezzel a technológiával lehetségessé vált csaknem bármilyen karakterisztikájú interferenciaszűrő előállítása, pl. felüláteresztő, aluláteresztő, sáváteresztő vagy sávzáró szűrőké. A technológia előnye az a képesség, hogy rendkívül szűk sávú szűrésre is képes, nagyon éles vágási határokkal. Pl. néhány nanométeres szűrő is kialakítható akár 75 réteg egymásra helyezésével.
NÁ
