Стереотелевидение . Введение. Стереотелевидение – телевидение , поз воляющее передавать и воспроизводить электрическими средствами трехмерность окружающего нас пространства и , в частности , в красках (стереоцветное телевидение ). Стереотелевидение базируется на стереоскопии – науке о зрительном восприятии трехмерности реаль ного мира – и на колометрии - науке о цвете . При помощи стереоцветного телевидения реализуется новое качество телевидения – воспроизведение рельефности и цвета предметов , что ведет не только к повышению эмоционального воздействия на зрителя , но и к более э ффективному использованию каналов связи. Стереотелевидение может принести большую пользу науке и народному хозяйству там , где требуется наибольшая наглядность и выразительность воспроизводимых объектов и событий и особенно там , где оператор не может присут ствовать на месте событий. В настоящем дипломном проекте разрабатывается цветная стереотелевизионная телекамера , предназначенная для работы в комплексе с бинокулярным микроскопом и различными устройствами видеоконтроля и записи видеоизображений. 1. Особе нности построения стереотелевизионных систем. Первые шаги в области создания и просмотра стереоскопических изображений восходят к 20-м годам , к таким первопроходцам в этой области , как Лоджи Берд (Logie Baird), Хамонд (Hammond) и Зворкин (Zwyorkin). Начал о разработок стереотелевидения в СССР относится : черно-белого – к 1949 году (первое изображение получено в 1950-м году , а в 1952-м году выпущена первая промышленная установка ) и цветного – к 1958-му году (первое изображение – 1959-й год ). Стереоцветная ус т ановка ЛЭИС в 1962-м году демонстрировалась на ВДНХ в Москве и в 1964-м году – на советской выставке в Генуе , Италия. 1.1. Зрительный орган как система связи. Конечным индикатором при телевизионной передаче является наш глаз , поэтому на каждом этапе разв ития телевизионной техники учитывалось то или иное свойство зрительного органа . И чем совершеннее становилась телевизионная система , тем глубже и полнее опирались при ее построении на возможности зрения . Наиболее полно это отразилось на стереоцветной сист е ме , которая ближе всего подводит к условиям непосредственного наблюдения и опознания натуры. Зрительная система , как известно , обладает пространственной и временной разрешающей способностью ., а также контрастной чувствительностью . Другими словами , простран ство и движение мы воспринимаем дискретно . Телевизионные вещательные системы строятся на основе использования только временной дискретности зрения и пока не обеспечивают передачу привычной для глаза пространственной дискретности. Техника развития телевиден ия не имела целью слепое копирование зрительной системы . Но сопоставление на данном этапе процессов , происходящих в телевизионной и зрительной системах , может быть полезным. Если условно расчленить зрительную систему на функциональные узлы , то можно сопос тавить ее с системой стереоцветного телевидения (рис . 1.1). Схематическое сопоставление систем бионической (зрительной ) и кибернетической (телевизионной ). Рисунок 1.1. Рассмотрим коротко основные функции , присущие отдельным ступеням кибернетической и бионической систем. 1. Преобразование оптического изображения в электрические сигналы . В телевидении , это совершается в передающей камере 1 путем того или иного вида развертки изображения и , по существу , является первичным кодированием изображения соответствующими электрическими сигналами. В зрительном анализаторе совершается развертка изображения , как и в передающей телевизионной камере , только в более совершенной форме . При рассматривании кр упных объектов оба глаза синхронно совершают скачкообразные движения , переводя наше внимание от одной точки к другой . Кроме того , благодаря мелким движениям глаз по горизонтали и вертикали , выявляется основная информация об объекте . Такая дискретная разве р тка обеспечивает большую четкость деталей , нежели непрерывная , применяемая в телевидении. 2. Кодирование – трансформация первичной информации в сигналы , удобные для передачи . В черно-белом телевидении этот процесс отсутствует . В цветном и стереоцветном тел евидении кодирование совершается особо рассчитанными электрическими матрицами . Кодированию подвергается информация каждого элемента изображения , причем кодовый сигнал должен нести информацию не только о яркости данного элемента , но и о его цвете . В зрител ьной системе световой поток от цветного объекта , падая на сетчатку , вызывает реакцию в соответствующих элементах колбочкового аппарата , что приводит к возникновению в ганглиозных клетках электрических импульсов определенной частоты . Таким образом , оптичес к ое изображение , образуемое на сетчатке , кодируется частотой электрических импульсов , посылаемых разными порциями в высшие отделы анализатора 4 и 5. 3. Передача электрических сигналов . Зрительную систему можно рассматривать как идеальную систему связи , то е сть передающую сообщения без ошибок со скоростью , определяемой пропускной способностью канала . Последнее , по Шеннону , определяется как C F * log 2 P c P п P п F * log 2 1 P c P п , дв.ед. сек., (1) где F – полоса частот пропускания ; Р с и Р п – соответственно , средние мощности полезного сигнала и помехи в виде “белого шума”. Воспользуемся уравнением (1) для определения пропускной способности стандартного телевизионного канала при полосе частот F=6 МГц и отношении сигнала к помехе =25, требуемом для хорошего качества воспроизводимого изображения . Под величиной здесь понимается о тношение полного размаха видеосигнала (от уровня черного до уровня белого ) к среднеквадратичному значению помех . В итоге : С max = 56 10 6 дв . ед . / сек. В цветном телевидении с уплотнением спектра частот яркостного сигнала и пр и квадратурной модуляции цветовой поднесу щей цветоразностными сигналами для систем NTSC и PAL: С = 19 10 6 дв . ед . / сек. Для цветной системы SECAM (модуляция цветовой поднесу щей цветоразностными сигналами через строку ): С = 16 10 6 дв . ед . / сек. Для стереоцветной системы с квадратурной модуляцией , когда один кадр цветной стереопары передается в черно-белом виде с полосой 6 МГц , а другой в красках с полосой 1,5 МГц : С = 19 10 6 дв . ед . / сек. Пропускная способность зрительного анализатора на уровне сетчатки тоже составляет десятки миллионов двоичных единиц в секунду . Но по мере перехода к высшим отделам зрительного органа производится отбор полезной информации из всего потока сообщений , что приводит к весьма экономной форме их кодирования. Обращает на себя внимание тот факт , что пропускная способность зрительной системы ниже телевизионной , а канал передачи импульсов в миллионы раз сложнее . Видимо , последний использ уется более широко для обратных связей , то есть подачи разных команд от коры головного мозга. 4. Декодирование – преобразование кодовых сигналов в сигналы первичной информации . В телевидении для этого служат электрические матрицы , на выходе которых получае м первичные сигналы основных цветов R, G и B для левого и правого изображений . Как будет видно ниже , допустимо ограничиться сигналами R, G и B только для одного изображения стереопары , а для другого иметь только яркостный сигнал Y. В бионической системе кодовые сигналы преобразуются в энергию биологических процессов , создающих визуальное ощущение . Совершается это в одном из высших разделов зрительного органа. 5. Синтез изображения – превращение первичной информации в модель передаваемого объекта . Этот зав ершающий этап воспроизведения изображений в телевидении осуществляется приемным устройством . В бионической системе зрительные образы возникают в коре головного мозга и автоматически , в большей или меньшей степени , сохраняются в памяти . В телевидении же дл я сохранения изображения в необходимых случаях применяется дополнительный процесс – запись изображения. 1.2. Стереоэффект и некоторые свойства бинокулярного зрения. Глубинное зрение , то есть способность воспринимать объемность предметов и их пространствен ное расположение , не является врожденным свойством человека . Оно достигается ранним жизненным опытом путем сочетания реакции осязания , зрительного восприятия и подсознательного глазомышечного двигательного акта. Объемность предметов и их пространственное р асположение непосредственно могут восприниматься как при монокулярном зрении (одним глазом ), так и при бинокулярном (двумя глазами ). В первом случае главную роль играют физиологические факторы (зрительная память , ощущение различия в напряжении мышц при ак к омодации и т.п .). Опираться на эти факторы при построении телевизионной системы , где глаз заменяется передающей трубкой , нельзя – необходимо прибегнуть к использованию свойств бинокулярного зрения , где основную роль играет глазной базис – расстояние между зрительными осями при рассмотрении удаленных предметов (рис . 1.2). Для разных людей он немного отличается , но в среднем составляет 65 мм . Угол при пересечении зрительных осей называется углом конвергенции (сведения в одну точ ку ). Каждому положению объекта соответствует определенный угол конвергенции , что сопровождается некоторой мускульной работой поворота глаз вокруг центров вращения . Сравнение в сознании мускульных напряжений , связанных с изменением угла конвергенции , дает п редставление о том , ближе или дальше расположен предмет. Бинокулярное наблюдение одиночных предметов. Рисунок 1.2. При смещении рассматриваемого объекта происходит не только конвергенция глаза , но и аккомодация , то есть изменение кривизны глазного хрусталика . Последнее обеспечивает резкость изображения предметов на сетчатке при различных расстояниях их от глаза. Достаточно малейшего смещения одной из проекций изображений с идентичных точек сетчатки , как в сознании возникает пространственное представление о рассматриваемых объектах . Принято , что невооруженным глазом рельефность предметов можно наблюдать на расстояниях , не превышающих одного километра . Для увеличения стереоскопической дально с ти или повышения стереоэффекта требуется , прежде всего , при прочих равных условиях , увеличение базиса наблюдения , что легко осуществить в телевидении путем разноса передающих трубок. 1.3. Способы передачи стереопары. Из рассмотрения простейших стереоприб оров вытекает , что для искусственного воспроизведения стереоизображений необходимо иметь полученные с разных позиций два изображения и рассматривать одно левым глазом , другое – правым . В зависимости от поставленной задачи можно передать или одновременно о ба кадра стереопары , или последовательно . Одновременная передача . При одновременной передаче могут наблюдаться два случая , в зависимости от требуемого базиса . Если поставленная задача требует большого базиса , необходимо иметь две передающие камеры , разне сенные на требуемое расстояние . Передача должна происходить или через два самостоятельных передатчика , или через один при наличии соединительных каналов . Обычно используют одну камеру с двумя передающими трубками. Последовательная передача . Последовательны й способ передачи стереопары применяется в случае использования временного параллакса (при относительном движении камеры и объектива ) или при проектировании левого и правого изображений на мишень одной передающей трубки . В последнем случае кадры стереопар ы можно расположить на мишени трубки , или рядом по горизонтали (последовательная передача по строкам ), или рядом по вертикали (последовательная передача по полям или кадрам ). При вертикальном расположении кадров площадь мишени используется более полно , но э то требует специальной призменной приставки к горизонтально расположенным объективам [ 1 , глава 4]. Последовательная передача стереопары требует удвоенной полосы частот по сравнению с обычным двухмерным телевидением . Принципы воспроизведения стереопары на п риемной стороне освещены в книге под ред . П.В.Шмакова “Стереотелевидение” (М : Связь , 1968). Художественную передачу объемных изображений целесообразно обогащать стереофоническим изображением. 1.4. Методы деления изображений [2]. В зависимости от назначен ия системы стереоскопического телевидения методы деления изображений для правого и левого глаза могут быть двух видов : индивидуальные и групповые . Первый способ допускает наблюдение объемного телевизионного изображения только одним человеком , а второй поз в оляет одновременно наблюдать объемное изображение большому числу зрителей . Естественно , что для стереотелевизионного вещания применим только метод группового деления стереопары . В промышленных системах могут использоваться как индивидуальные , так и группо в ые методы деления. При групповом методе наблюдения используется поляризационный или цветовой способ разделения стереопары . Первый способ основан на явлении поляризации света . Лучи плоско поляризованного света обладают свойством свободно проходить через пол яризационный фильтр , плоскость поляризации которого параллельна плоскости поляризации луча . Но такие лучи не проходят через поляризационный фильтр , если плоскости поляризации перпендикулярны . Таким образом , если перед экранами приемных трубок (рис . 1.3) 1 и 2 поставить поляризационные фильтры 3 и 4, плоскости поляризации которых ориентированы взаимно перпендикулярно , то разделение смешанной параллаксограммы (смешанная параллаксограмма представляет собой наложение одного изображения стереопары на другое ) мо ж но осуществить , если смотреть через очки с фильтрами 5 соответствующей поляризации . Смешанная параллаксограмма получается на полупрозрачном недеполяризующем зеркале 6. Поляризационный метод разделения стереопары для правого и левого глаза позволяет наблюд а ть не только черно-белые стереоскопические телевизионные изображения , но и стереоцветные. Очковый метод деления. Рисунок 1.3. Поляризационные или цветные фильтры : 1 и 2 – приемные трубки, 3 и 4 – поляризационные фильтры , 5 – очки с поляризационными фильтрами , 6 – полупрозрачное зеркало. Недостатком поляризационного метода является необходимость соблюдать параллельность плоскостей поляризации поляроидов зрителя и приемных трубок . При накло не головы зрителя более 4 значительно ухудшается стереоэффект из-за проникновения другого изображения . Однако специальной конструкцией очков можно избавиться и от этого недостатка . Если на рис . 3 поляризационные фильтры замен ить цветными фильтрами , имеющими определенные спектральные характеристики , то каждый глаз зрителя будет видеть изображение , предназначенное только для него . Принцип разделения цветными фильтрами заключается в следующем : каждое черно-белое телевизионное из о бражение стереопары К л и К п окрашивается в один из спектральных цветов . Например , левое изображение в красный цвет , а правое – в зеленый . Перед глазами зрителей помещаются цветные светофильтры так , что правый глаз зрителя смотрит через зеленый фильтр и ви дит градации яркости только зеленого изображения , а левый глаз смотрит через красный фильтр и видит градации яркости только красного изображения . За счет бинокулярного смешения цветов зрители видят стереоскопическое телевизионное изображение , окрашенное в третий цвет . При использовании одноцветных приемных трубок (в дальнейшем – ПЗС-матриц ) надобность в установке цветных фильтров перед экранами трубок отпадает . Недостатком данного метода разделения стереопары является невозможность наблюдать многоцветное с т ереоскопическое изображение. В разрабатываемой системе используется групповой метод деления стереопары , но принцип деления отличается от вышеописанных . В процессе формирования стереопары образуется видеосигнал , содержащий последовательность четных и нечетн ых полей двух кадров стереопары . Одна ПЗС матрица формирует сигналы первого и второго поля первого кадра стереопары , а вторая , соответственно , поля для второго кадра стереопары . Применяя при воспроизведении очки с жидкокристаллическими индикаторами (ЖКИ ) и коммутируя ЖКИ с частотой полей , мы разделяем кадры стереопары для правого и для левого глаза соответственно . Данные системы воспроизведения являются стандартными и в данном проекте не рассматриваются. 1.5. Системы объемного телевидения. Многочисленные работы , проведенные проф . П.В.Шмаковым и его сотрудниками по изучению стереоэффектов в телевидении , показали : 1. Стереоэффект наблюдается не только при одинаковой четкости обоих изображений , но и при понижении четкости одного из кадров стереопары , причем в оспринимаемая зрителем четкость определяется более качественным изображением. 2. Возможна передача одного кадра стереопары черно-белым , а другого – цветным . При этом эффект восприятия объема и цвета практически не ухудшается. 3. Полоса частот сигналов одно го кадра , в том числе и яркостного , может быть значительно сокращена без заметного ухудшения изображения при условии , что яркостный сигнал другого кадра передается с полной полосой частот. Эти особенности зрения позволили предложить несколько систем объемн ого телевидения , использующих стандартный телевизионный канал [3], которые мы рассмотрим далее. Мелькание . При проектировании систем объемного телевидения возникает проблема рационального использования полосы частот канала передачи . В обычном телевидении т ребование отсутствия мельканий при необходимых яркостях изображения приводит к передаче 50 полей в секунду . В стереотелевидении предполагалось использовать возможность понижения частоты мельканий каждого изображения вдвое за счет попеременной смены полей л евого и правого кадров . Такая возможность позволила бы сократить полосу частот вдвое , то есть привести к стандартной полосе частот двухмерного телевидения . Но исследования показали , что критическая частота мельканий остается неизменной как при монокулярно м , так и при бинокулярном зрении при переменной смене полей . На основании этих опытов сделали вывод , что число кадров в системах объемного телевидения для отсутствия мельканий должно быть тем же самым , что и в системах обычных. Если , в идеальном случае , для передачи и воспроизведения цветного объемного изображения требуется шесть сигналов (три сигнала цветоделенных изображений для левого кадра стереопары и три – для правого ), то в практике из шести сигналов необходимо и достаточно передавать только четыре : с игнал , несущий информации о яркости одного кадра стереопары , и три сигнала , несущих информацию о яркости и цветности другого кадра . При этом полоса частот для передачи цветного кадра может быть сокращена до 1,5 МГц , если черно-белый кадр передается со ста н дартной полосой частот . Исходя из этого , исследовательской лабораторией кафедры телевидения Ленинградского электротехнического института инженеров связи им . проф . М.А.Бонч-Бруевича под руководством проф . П.В.Шмакова разработана совместимая система цветног о стереотелевидения , соответствующая системе NTSC (рис . 1.4). Схема системы цветного стереотелевидения (передающая часть ). Рисунок 1.4. 1 – камера , 2- коммутатор , 3 – пересчетное устройст во , 4 – фильтр низкой частоты (ФНЧ ), 5 – балансный модулятор , 6 – смесительное устройство , 7 – к передатчику , 8- полный синхросигнал , 9 – огибающая сигнала вспышки. На передающей стороне шесть сигналов левого и правого (л и п ) кадров цветной стереопары от соответствующих датчиков поступают на матричные устройства , на выходе которых образуются яркостные сигналы этих кадров U ял U яп . Затем формируются цветоразностные сигналы правого кадра U кп U сп . Яркостный сигнал U ял левого кадра и сигналы правого кадра подаются на смесительное устройство , в котором получается полный сигнал стереоцветного изображен ия , согласно уравнению : U с = U ял + k 1 U п . Описание данной системы взято из книги Г.Б.Богатова “Цветное телевидение” (Л : Наука , 1978). [4] Рассмотрим использовавшу юся в установке СЦТ ЛЭИС камеру 1 подробнее . В ее состав входят следующие основные узлы (рис . 5): а ) блок разверток , б ) фотоблок , в ) блок оптических головок , г ) блок управления камерой с механизмом изменения базиса съемки , д ) две трубки бегущего луча с фо к усирующими и отклоняющими системами. Блок-схема камеры СЦТ. Рисунок 1.5. Блоки строчной и кадровой разверток были выполнены на типовых унифицированных узлах . Задающие части строчной и к адровой разверток являются общими для обеих трубок . Выходные каскады выполнены отдельно для каждой трубки . Кроме этого , в блоке разверток предусмотрены схемы стабилизации , фокусировки и защиты. В установке использовались фотоблоки двух типов : блоки , входя щие в состав камеры , содержат по три фотоэлектронных умножителя , выносные – по шесть (два красных , два зеленых и два синих. В камере использовались две оптические головки с дистанционным приводом , снабженные двумя комплектами объективов с фокусными расстоя ниями 50 и 85 мм . Базис съемки мог меняться от 68 до 130 мм. Управление оптикой производилось дистанционно с пульта оператора . Для этого оптические головки имели электропривод , который управлял оптической фокусировкой , диафрагмированием и производил перекл ючение объективов . Также с пульта управлялись фокусировка и ток луча в трубках. В камере были использованы две развертывающие трубки типа 6ЛК 1Б с плоским экраном и люминофором из окиси цинка . Минимальный базис определялся размером трубок . Габариты камеры - 530 290 420 мм , вес – 45 кг . [1]. В то же время было предложено еще несколько систем образования и передачи (последовательной и одновременной ) стереопары . Рассмотрим две схемы для последовательн ой передачи кадров стереопары как более прогрессивного метода. 1. Может быть использована одна трехтрубчатая цветная камера (рис . 1.6). Отличием ее от обычной камеры цветного телевидения является зеркальная стереонасадка Д и обтюратор А . Стереонасадка с дв умя объективами О л и О п служит для создания стереопары , а обтюратор – для переменной коммутации светового потока от левого и правого изображений . В результате на выходах передающих трубок последовательно создаются сигналы цветовой информации от левого и п равого кадров стереопары. Схема оптического узла стереоцветной камеры для одновременной передачи цветовой информации с последовательным чередованием левого и правого изображений стереопары. Рисунок 1.6: в – базис передачи , 1 и 2 – цветоделительные зеркала , R, G и B – цветоделенные изображения. Чтобы избежать механически вращаемого обтюратора , можно спроецировать оба кадра стереопары на фотокатоды трубок , р асположив их рядом . Для этого объективы О л и О п необходимо расположить между стереонасадкой и цветоделительными зеркалами . В этом случае предъявляются более высокие требования к разрешающей способности трубок и линейности разверток. 2. Аналогичным способо м для стереоцветной передачи можно использовать аппаратуру последовательной системы цветного телевидения . В качестве датчиков сигналов стереопары могут служить две камеры , разнесенные на необходимый базис передачи , с вращающимися дисками цветных светофиль т ров R, G и B или же одна камера , дополненная зеркальной стереонасадкой и обтюратором (рис . 1.7). В последнем случае камера будет выдавать последовательные сигналы цветовой информации поочередно от левого и правого изображений стереопары. Схема оптического узла стереоцветной камеры для последовательной передачи как цветовой информации , так и стереопары. Рисунок 1.7: в – базис передачи , Д – стереонасадка , А – обтюратор , Ф – диск с цветными с ветофильтрами , М – двигатели , Т – передающая трубка. Далее описаны несколько методов создания стереоцветных систем , которые в той или иной мере были этапными в развитии стереовидения. Метод Пулфрича Метод Пулфрича базируется на постоянном движении , иначе эффект трехмерности пропадает . Требуются специальные очки с линзами , различающимися степенью затемнения . Движение должно происходить в одном направлении (слева направо ), тогда глаз , снабженный более светлой линзой получает и обрабатывает зрительную инфор м ацию на долю секунды раньше другого . Этой разницы во времени оказывается достаточно , чтобы второе изображение чуть-чуть сместилось , и создалось впечатление глубины . Эффект может быть усилен путем подбора объекта съемки , окружающей обстановки и т.д. Причина , по которой такую технологию нельзя считать по-настоящему трехмерным телевидением , заключается в том , что объекты не сходят к вам с экрана , как это бывает в стереокино , а просто “расслаиваются” , создавая впечатление глубины картинки . Кроме того , этот мет о д ненадежен , потому что некоторые люди смотрят такую программу и не видят стереоэффекта. LCD-shutters Простейшая стереосистема базируется на методе показа последовательных областей (полей ), при котором оба изображения , чередуясь , но не переплетаясь как в чересстрочной развертке , проецируются на один и тот же экран (обычный телевизионный экран показывает подобные области с чересстрочным обновлением , чередующиеся 50 раз в секунду ). Чтобы каждый глаз видел свою картинку , используются очки с раздельными жидкок ристаллическими экранами-шторками (LCD-shutters). Можно сделать так , чтобы под воздействием электрического тока жидкие кристаллы становились то прозрачными , то непроницаемыми с той же частотой , с которой обновляется изображение на экране . Когда видимость о дного глаза заблокирована , другой видит картинку и наоборот. Лентикулярные системы. Последняя новинка фирмы Sanyo — трехмерный экран , использует принцип двояковыпуклой (лентикулярной ) линзы . Здесь уже не нужны никакие специальные очки . Двояковыпуклые линз ы состоят из многочисленных рядов вертикальных линз , совсем как у гофрированного картона . Под них подкладывается несколько картинок , разделенных на полосы и уложенных с чередованием в вертикальном направлении . В зависимости от угла можно наблюдать серии в ертикальных полос , составляющих целую , объемную картинку . В настоящее время фирма Sanyo занята производством серии экранов различных размеров , начиная с громадных 70-дюймовых и кончая переносными моделями размером от 4 до 10 дюймов . Наибольший эффект дост игается на экранах больших размеров , но они пока предназначаются для коммерческих трехмерных игровых машин. Xenovision Гораздо более убедительной представляется технология автостереоскопического дисплея , продемонстрированная австралийской компанией Xenot ech. Эта система проецирует два изображения , каждое для своего глаза , сквозь полупосеребренное зеркало , расположенное перед зрителем , а затем обратно , на отражающий экран . Проекторы расположены таким образом , что правая картинка проецируется на правый гла з , а левая — на левый . Фокус в том , чтобы каждый глаз видел только то изображение , которое для него предназначено , и для этого используется специальный материал , который отражает свет обратно , под углом 180 к поверхности . Если ваш глаз расположен фронтально к направлению луча , то он видит только отраженную картинку ; второй глаз находится несколько в стороне от линии хода луча , и картинка на него не попадает. Но когда человек смотрит на экран , он не остается неподвижным (неизбеж но ерзает и вертит головой ). Для компенсации движения , система снабжена устройством слежения за положением глаз зрителя , состоящим из слабого источника инфракрасного излучения и миниатюрной камеры , направленной на лицо зрителя . Камера отмечает инфракрасн ы е вспышки — очертания лица и отражения от роговицы — и посылает информацию компьютеру , который отслеживает положение и направление глаз зрителя . Если глаза меняют свое положение , то соответствующим образом меняется и положение проекторов и отражающего экр а на , сохраняя неизменным тангенс угла наклона к линии зрения наблюдателя . Система Xenovision (тот же Xenotech) впервые была представлена в 1995 году на выставке корейской электроники Korean Electronics Show, где были продемонстрированы четыре дисплея разме ром 30 дюймов . С тех пор , где бы ни выставлялась эта система , она вызывает бурю восторгов . Вот список фирм , лицензировавших эту систему . Возглавляет этот список Samsung, первым купивший лицензию в 1994 году , за ней идут Carl Zeiss из Германии , Resources C o rporation Berhad из Малайзии , Дом спецэффектов ETAB Data AB из Швеции , и совсем недавно к ним присоединилась крупная японская компания Tomen Corporation. Сейчас Xenotech разрабатывает дисплей для нескольких зрителей , опирающийся на тот же принцип . Но , по п равде говоря , серьезные ограничения этого процесса — размер экрана , несколько проекторов , компьютерное слежение и т . д . — означают , что , как и большинство имеющихся 3D-технологий , идея Xenovision больше подходит для рынка развлечений и мультимедиа , чем дл я бытового телевидения. Описываемые выше системы , по сути двумерные , создают лишь иллюзию объемного изображения . Зародыш другой системы недавно был продемонстрирован в программе BBC “Мир завтра” (Tomorrow's World). У этой системы классное название — “ 3D Vо l umeric Display Technology Background” . Сейчас она находится в стадии разработки в Военно-морском центре управления , контроля и наблюдения за океаном США (Naval Command, Control and Ocean Surveilance Centre, NCCSC). В ней с помощью вращающейся спирали гене р ируется изображение , которое можно рассматривать в трех измерениях . По сути дела это движущийся проекционный экран , который при каждом обороте дважды сканирует весь объем изображения”.Спираль сканирует полностью весь столб , и по завершении полного оборота ни одна точка внутреннего пространства не остается не обновленной. Для создания на нем изображения используется лазерный сканер . Естественно , за всем за этим стоит проблема повышения вычислительных мощностей и проблема передачи набора трехмерных графическ их координат проектору , которые должны соответствовать перемещению спирали. Картинки , воспроизводимые этой системой , генерируются компьютером . Как будут сниматься и проектироваться изображения из реальной жизни , пока не ясно . Правда , эта система не нацелен а на потребительский рынок , и ее применение скорее всего ограничится моделированием рельефов поверхностей или регулированием движения воздушного транспорта , 1.6. Требования , предъявляемые к системам стереоцветного телевидения. При создании стереоцветной системы следует стремиться к гармоническому сочетанию . Воспроизведения натуральной окраски , рельефности предметов и глубины пространства . Требования , предъявляемые к воспроизведению рельефности , будут различными в зависимости от назначения системы : для п р омышленных целей или для вещания . В промышленных установках пространственные формы и величинам объемного изображения должны соответствовать реальным объектам и при необходимости должны быть пропорционально уменьшены или увеличены во всех трех измерениях. С ледовательно , в промышленных установках должно уделяться особое внимание идентичности разверток передающих и приемных трубок , чтобы обеспечить выполнение указанных выше требований. Для художественной передачи не обязательно точное воспроизведение объема , а в зависимости от замысла режиссера может быть несколько искажена перспектива для подчеркивания того или иного плана в пространстве , для привлечения внимания зрителя именно к этой части передаваемого изображения. Требования , предъявляемые к цветному стерео телевидению с точки воспроизведения цвета , аналогичные требованиям к соответствующим системам цветного телевидения . В некоторых промышленных системах качество цвета может быть несколько снижено , если это дает значительное упрощение аппаратуры [1]. 1.7. Т елевидение и голография [5]. Стереоскопические системы являются базой для создания многоракурсных телевизионных систем , дающих возможность плавного бокового обзора (оглядывания ) воспроизводимых изображений . Объемные изображения можно наблюдать без специал ьных очков с разных ракурсов , смещаясь относительно экрана внутри большой зоны пространства без потери стереоэффекта. Можно предполагать , что будущее телевидения – это голографическое телевидение , однако при реализации голографических телевизионных систем возникает много технических трудностей , связанных , в частности , с большой информационной емкостью голограмм и высокой удельной плотностью информации. 1.7.1. Способы получения голограмм. Голография основана на записи и последующем восстановлении волнового фронта рассеянного объектом света . Первый этап использует явление интерференции при взаимодействии двух когерентных пучков (рис . 1.8). Лазерным светом освещают объект и зеркало . Свет , отраженный объектом (предметный волновой фронт , предметный пучок ) и зе р калом (эталонный волновой фронт , или опорный пучок , или когерентный фон ), пересекается в определенной области пространства и взаимодействует между собой , образуя пространственное интерференционное поле , поле узлов и пучностей , максимумов и минимумов интен с ивности. Запись голограммы. Рисунок 1.8. Если в этом пространстве поместить фоточувствительную среду , то она зарегистрирует часть этого интерференционного поля . Такая светочувствительна я среда после фотохимической обработки называется голограммой . В простейшем случае голограмма представляет собой чередование светлых и темных полос . Число интерференционных полос , то есть количество светло-темных пар линий на единицу длины голограммы , наз ы вается пространственной частотой. Отличие голографического процесса записи от обычного фотографирования заключается в том , что на голограмме записана не только амплитудная , но и фазовая информация , выраженная в виде чередования по определенному закону свет лых и темных полос . Отсюда и происхождение слова “голография” : от греческих слов “олос” – полный – и “графо” – пишу , то есть запись полной информации . Голография была изобретена Дэннисом Габором . В 1947 году он предложил , а в 1948 году опубликовал однолуч е вую схему для голографирования полупрозрачных плоских объектов . В 1961 году Эммет Лейт и Юрис Упатниекс усовершенствовали исходную схему Габора , предложив свою двухлучевую (с наклонным опорным лучом ) схему формирования плоских голограмм непрозрачных трехм е рных объектов. Схема восстановления изображения с голограммы показана на рис . 1.9. Восстановление изображения с голограммы. Рисунок 1.9. Более простой и перспективный метод получения цв етных изображений основан на использовании объемных светочувствительных эмульсий при формировании трехмерных голограмм . Этот метод формирования трехмерных голограмм , наиболее полно отражающих оптические свойства объекта , разработал советский ученый Юрий Н и колаевич Денисюк в 1962 году. Для получения трехмерной голограммы объект освещают сквозь объемную светочувствительную эмульсию (рис . 1.10). Свет отражается от объекта (объектом является зеркало ) и , возвращаясь назад , интерферирует с опорным пучком под угла ми , близкими к 180 . Получение трехмерных голограмм (а ) и воспроизведение с них изображений (б ). Рисунок 1.10. Плоскости пучностей и , соответственно , плоско сти почернения , располагаясь по биссектрисе угла между направлениями встречных пучков , будут почти параллельны плоскости голограммы и будут удалены друг от друга на расстояние : d = 2n sin /2, где n – показатель преломления светочувствительной эмульсии , а - длина волны в воздухе. 1.7.2. Попытки построения голографических телевизионных систем. Практическ ая реализация голографической телевизионной системы встречает ряд весьма существенных трудностей . Одна из предложенных схем показана на рис . 1.11. Структурная схема голографической телевизионной системы. Рисунок 1.11. Передаваемая сцена освещается либо одним , либо несколькими взаимно когерентными лазерами . Свет , рассеянный объектами сцены совместно с опорным лучом , попадает на анализирующее устройство голографической телевизионной камеры , в которой картина интерференционных световых потоков преобразуется в последовательность электрических сигналов . Последние затем передаются по каналу связи . На экране приемного устройства из электрических сигналов формируется голограмма , которая при осве щ ении ее лучом лазера восстанавливает передаваемый сюжет. Но при этом обязательным условием является наличие источников только когерентного излучения при освещении объекта , что ограничивает съемки рамками студии. Также требуется разрешающая способность голо графической системы вдвое превышающая ныне существующую . В связи с этим работа разверток голографической телевизионной системы также должна быть повышена , что повлечет за собой увеличение требуемой полосы частот канала связи для передачи информации об изо б ражении. Вопрос о путях построения голографических телевизионных систем до сих пор еще не решен . Развитие голографического телевидения будет идти , очевидно , в двух направлениях . Одно их них ставит своей целью совершенствование всех звеньев (передающее устр ойство , канал связи , приемное устройство ) для создания голографических телевизионных систем . Второе направление заключается в построении промежуточных паллиативных систем , в которых новые качественные параметры пространственных изображений достигались бы н е слишком дорогой ценой и которые поэтому могли бы быть реализованы в обозримом будущем. Ниже приводится один из вариантов схем построения многоракурсных систем (рис . 1.12). Схема построения многоракурсной телевизионной системы. Рисунок 1.12. Всю схему можно разделить на несколько частей , функции которых вполне определенные : съемка объекта , передача изображений , совмещение изображений и селекция ракурсов . Съемка объекта осуществляется пут ем размещения по дуге АБ нескольких передающих камер . Формирующих телевизионные двухмерные изображения , отличающиеся друг от друга только горизонтальным параллаксом . В статических системах , работающих не в реальном масштабе времени , можно использовать одн у камеру , последовательно перемещая ее по дуге АБ на угловые интервалы . В последнее время трудности , встречающиеся при создании практических систем голографического телевидения , послужили причино й расширения области исследований дифракционных систем , в которых используется не только когерентное : но также частично когерентное и некогерентное освещение . [6] Системы голографического телевидения , созданные на сегодняшний день , находят применение в раз личных сферах человеческой деятельности. В заключение приведем одну из схем оптической установки для создания голографических изображений в области медицины , разработанной в 1992 году (рис . 1.13) [ 7 ]. Оптическая установка для создания голографических изоб ражений. Рисунок 1.13.