بررسی فناوری های سه بعدی

دید استریوسکوپیک Stereoscopic

برای درک طرز کار تلویزیون‌های سه‌بعدی، باید نخست نگاهی داشت به چگونگی درک تصاویر سه‌بعدی توسط مغز انسان. همان‌طور که می‌دانید، تصاویر سه‌بعدی تصاویری هستند که عمق را شبیه‌سازی می‌کنند. به‌طور معمول، در یک تصویر تخت تنها دو بعد طول و عرض قابل ادراک هستند. البته نباید تصاویر سه‌بعدی کامپیوتری را مانند آنچه که در بازی‌ها می‌بینید با تصاویر واقعاً سه‌بعدی اشتباه بگیرید. تصاویری که ما در دنیای کامپیوتر به‌عنوان تصاویر سه‌بعدی می‌شناسیم، تصاویری دوبعدی هستند که به صورت ایزومتریک به تصویر کشیده شده‌اند. اگرچه به‌عنوان مثال، می‌توانید در بازی‌های سه‌بعدی به سمت جلو و عقب، یعنی در عمق حرکت کنید، اما چشمان شما هنگام بازی هیچ ادراک واقعی از عمق نخواهند داشت. چگونگی درک عمق و تصاویر سه‌بعدی، رابطه مستقیمی با سیستم بینایی و مغز دارد. چشم‌های انسان برخلاف بسیاری از جانوران به جای قرار گرفتن در دو طرف سر، در کنار یکدیگر جلوی صورت قرار گرفته‌اند، بنابراین دامنه دید ما چندان وسیع نبوده و چشم‌های ما قادر به پوشش زاویه کامل 360 درجه‌ای نیستند، به همین دلیل است که ما نمی‌توانیم پشت سر خود را ببینیم، اما یک پرنده به راحتی و بدون چرخاندن سر خود می‌تواند تمامی دنیای اطراف خود را ببیند. موجوداتی مانند پرندگان که چشم‌های آن‌ها در دو طرف سر قرار گرفته‌اند، دارای دید سه‌بعدی نیستد، البته دیدن محیط به صورت سه‌بعدی در روند تکاملی آن‌ها به‌عنوان یک اولویت وجود نداشته‌است. جانورانی مانند پرندگان و پستانداران گیاه‌خوار، بیشتر نیازمند دامنه دید بازتر هستند تا به آسانی از وجود خطر مطلع شوند. در سوی دیگر مغز جانوارن شکارچی، مانند انسان یا جانورانی که به دقت بالایی در مکان‌یابی نیاز دارند، به گونه‌ای طراحی شده‌است که تصاویر سه‌بعدی را پردازش کند.
گربه‌سانان نیز مانند انسان دید سه‌بعدی دارند.

با دریافت تصاویر سه‌بعدی، امکان مکان‌یابی دقیق‌تر  میسر شده، در نتیجه این جانوران می‌توانند جهت و مکان قرارگیری اشیاء را با دقت بالایی درک کنند. به دلیل نیاز به تعیین محل شکار، تکامل سیستم بینایی برای درک تصاویر به صورت سه‌بعدی یکی از اولویت‌های تکاملی مغز انسان بوده‌است. برای این‌که درک کنید مغز چگونه می‌تواند مکان‌یابی دقیق‌تری با استفاده از تصاویر سه‌بعدی داشته باشد، کافیست آزمایش قدیمی تماس دو انگشت را اجرا کنید. در حالی که دو چشم شما باز هستند، سعی کنید تا دو انگشت اشاره خود را با سرعت به یکدیگر نزدیک کرده و سر انگشت یک دست را با دیگری لمس کنید. حال این آزمایش را در حالی که یکی از چشم‌هایتان بسته است، تکرار کنید. با انجام این آزمایش خواهید دید، در حالت دوم امکان خطا بسیار بیشتر است و در حقیقت در بیشتر موارد قادر به انجام این‌کار نیستید. اما سؤال اینجاست که، مغز چگونه قادر به تحلیل تصاویر سه‌بعدی است و از چه مکانیزمی برای درک عمق استفاده می‌کند.
همان‌طور که گفته شد، انسان تصاویر سه‌بعدی را بر پایه دو تصویر دریافت‌شده از دو چشم بازسازی می‌کند. این دو تصویر که به ظاهر یکسانند، دارای تفاوت جزئی هستند که برای مغز قابل درک است. هنگامی که با دو چشم خود به یک صحنه نگاه می‌کنید، در حقیقت چشمان شما دو تصویر را که اندکی با یکدیگر تفاوت دارند، به مغز مخابره می‌کند. مغز این دو تصویر را دریافت کرده، تفاوت‌ها را تشخیص می‌دهد و در نهایت یک تصویر منفرد اما سه‌بعدی ایجاد می‌کند. درست به همین دلیل است که اگر یکی از چشمان خود را ببندید، دیگر قادر به تشخیص تصاویر سه‌بعدی نخواهید بود. پیچیدگی مغز ما و توانایی بسیار بالای آن برای پردازش تصاویر به ما این اجازه را می‌دهد که بتوانیم توالی از تصاویر سه‌بعدی را با وضوح بسیار بالا در دامنه نور مرئی برای چشم دیده و به این وسیله با جهان اطراف خود با دقت بالایی ارتباط برقرار کنیم. سیستم بینایی انسان با نام سیستم بینایی استریوسکوپیک (به معنی سیستم دوتصویری) نیز شناخته می‌شود.
اما تصاویر سه‌بعدی به هیچ‌وجه چیزهای جدیدی نیستند. تاریخچه تصویربرداری سه‌بعدی به روزهای آغاز عکاسی باز می‌گردد. در سال 1844 یک مخترع و نویسنده اسکاتلندی به نام David Brewster ابزاری با نام Stereoscope را ابداع کرد که می‌توانست تصاویر را به صورت سه‌بعدی ثبت کند. این ابزار را بعدها Louis Jules بهبود داد و سپس با عکسی از ملکه ویکتوریا در حالت سه‌بعدی که در نمایشگاه The Great Exhibition در سال 1851 به نمایش درآمد به عموم معرفی شد. سپس Kinematoscope که ابزاری برای نمایش تصاویر متحرک ساده سه‌بعدی بود، در سال 1855 اختراع شد. اولین فیلم سه‌بعدی در سال 1915 تولید شد و در سال 1922 اولین فیلم سه‌بعدی تجاری برای عموم به نمایش درآمد. John Logie Baird، طرح‌های اولیه تلویزیون‌های سه‌بعدی را در سال 1928 تشریح کرد و سپس همین شخص اولین سری از این تلویزیون‌ها را بر مبنای فناوری‌های پخش مکانیکی تصویر و همچنین فناوری اشعه کاتدی اختراع کرد. در طی جنگ جهانی دوم، دوربین‌های شخصی سه‌بعدی تقریباً در بین عامه شناخته شده بودند و استفاده می‌شدند. در سال 1935 اولین فیلم سه‌بعدی رنگی ساخته شد و به نمایش درآمد.
یکی از اولین ابزارهایی که برای دیدن تصاویر سه‌بعدی به‌کار می‌رفت. این مدل جیبی ساخت شرکت زایس است.

تصویر 2

در دهه پنجاه میلادی، هنگامی که تلویزیون‌ها در ایالت متحده به صورت گسترده‌ای استفاده شدند، تعداد بسیار زیادی فیلم سه‌بعدی نیز تولید شد. از اولین فیلم‌های سه‌بعدی تولیدشده در این دهه، می‌توان به Bawana Devil از شرکت United Artists که در سال 1952 تقریباً در سراسر ایالات متحده به نمایش درآمد، اشاره کرد. یک سال بعد، فیلم سه‌بعدی Hose of Wax که از صدای استریو نیز پشتیبانی می‌کرد به نمایش درآمد. آلفرد هیچکاک، فیلم Dial M for Murder خود را به صورت سه‌بعدی تولید کرد اما برای به حداکثر رساندن فروش، شرکت پخش‌کننده تصمیم گرفت آن را به صورت دوبعدی به نمایش درآورد. دلیل آن‌ها این بود که در آن زمان تعداد بسیار کمی از سینماها به تجهیزات نمایش سه‌بعدی مجهز بودند. در اتحاد جماهیر شوروی نیز فعالیت‌هایی برای تولید فیلم‌های سه‌بعدی در جریان بود، به‌طوری که فیلم سه‌بعدی رابینسون کروزوئه در سال 1946 به صورت یک فیلم بلند سه‌بعدی در این کشور تهیه شد و به نمایش درآمد. به دنبال آن، ایستگاه‌های تلویزیونی نیز آغاز به پخش برخی از برنامه‌های خود به صورت سه‌بعدی کردند. این برنامه‌ها از تکنیک‌های مشابه آنچه در ساخت فیلم‌های سه‌بعدی استفاده می‌شوند، بهره می‌بردند.
اما تصاویر سه‌بعدی چطور ایجاد می‌شوند و در حقیقت چگونه می‌توان مغز انسان را به گونه‌ای فریب داد تا تصویر تخت به نمایش‌درآمده روی یک تلویزیون را به صورت سه‌بعدی ببیند؟ فناوری‌های متعددی وجود دارند که برای تولید تصاویر سه‌بعدی استقاده می‌شوند. همان‌طور که گفته شد، برای تولید تصاویر سه‌بعدی به صورت کلی از تکنیک استریوسکوپی استفاده می‌شود. این تکنیک، تصاویر را با استفاده از دو لنز متفاوت که در فاصله‌ای تقریباً برابر با فاصله دو عنبیه چشم انسان قرار گرفته‌اند، ثبت می‌کند. هر فریم در این حالت شامل دو تصویر تقریباً مشابه اما اندکی متفاوت برای هر چشم است. اگر این دو تصویر را روی یک صفحه‌نمایش تخت در زاویه دیدی خاص و به صورت جداگانه برای هر چشم نمایش دهیم، می‌توانیم مکان تصویر را به صورت ریاضی و با استفاده از فرمول‌های جبری به سادگی به دست آوریم. در دستگاه مختصات مستطیلی، در حالی که صفحه دارای دو بردار Y-Z است (بردار Z به سمت بالا و بردار Y به سمت راست) و بیننده به وسط تصویر در طول محور X نگاه می‌کند، متوجه می‌شویم که مختصات تصویر نمایش‌داده‌شده به سادگی، مجموع دو معادله است. یکی از این دو معادله مربوط به پرسپکتیو و دیگری مربوط به جابه‌جایی دوچشمی خواهد بود. پرسپکتیو مختصات Z و Y مربوط به هر شیء را با استفاده از عامل D/(D-x تغییر می‌دهد، در حالی که جابه‌جایی دوچشمی عامل دیگری را نیز به معادله اضافه می‌کند (تنها برای محور مختصاتی Y). معادله برای جابه‌جایی دوچشمی برابر خواهد بود با: s*x/(2*(D-x که در این معادله D برابر است با فاصله از مبدأ سیستم انتخاب‌شده تا بیننده (درست وسط چشم‌ها)، s برابر است با فاصله بین دو چشم (حدود 7 سانتی‌متر) و x مختصات واقعی شیء در محور x خواهدبود. جابه‌جایی دوچشمی، مقادیر مثبت را برای تصویر مختص به چشم چپ و مقادیر منفی را برای تصویر مختص به  چشم راست در نظر می‌گیرد. البته واضح است که به دلیل تخت بودن صفحه‌نمایش، در حقیقت، چشم همه تصاویر را از فاصله ثابتی می‌بیند و به همین دلیل است که سیستم به جای جابه‌جا کردن بیننده، سعی می‌کند جابه‌جایی تصویری در محور عمق را شبیه‌سازی کند. به‌عنوان مثال، برای دیدن اشیائی که بسیار  نزدیک هستند، باید چشمان خود را به درون متمرکز کنیم، به همین دلیل است که در حین نمایش این‌گونه تصاویر، اگر عینک سه‌بعدی خود را از چشم بردارید، متوجه می‌شوید که دو تصویر در حال فاصله گرفتن از یکدیگر هستند و فاصله بین اشیاء نمایش‌داده در هر تصویر برای هر چشم بیشتر خواهدشد. در مقابل، برای نمایش تصاویری که دارای اندازه‌های بزرگی هستند یا باید دور به نظر برسند، فاصله دو شیء در دو تصویر چپ و راست کمتر شده و در برخی موارد حتی روی یکدیگر منطبق می‌شوند. یکی از بزرگ‌ترین مشکلاتی که در سیستم‌های نمایش تصاویر سه‌بعدی قدیمی‌تر وجود داشت، عدم انطباق درست تصاویر روی یکدیگر برای نمایش اشیاء قرارگرفته در فاصله دورتر بود که سیستم‌های دیجیتال جدید به‌طور کامل آن را اصلاح کرده‌اند.
اما مهم‌ترین مشکل تکنیک استریوسکوپی، محدودیت زاویه دید سه‌بعدی است، به همین دلیل تصاویر سه‌بعدی تنها از فاصله‌ای مشخص و زاویه‌ای خاص قابل دیدن هستند. برای حل این مشکل باید تصاویر را از چندین زاویه دید ثبت کرد و در نهایت تمامی تصاویر را در کنار یکدیگر به نمایش درآورد. در این صورت می‌توان تعداد نواحی دیدن تصاویر به صورت سه‌بعدی را افزایش داد. سیستم‌هایی که تصاویر را برای چندین زاویه دید ثبت می‌کنند، اغلب از تعدادی دوربین تشکیل شده‌اند که تصاویر استریو را به صورت جریان‌های ویدئویی جداگانه‌ای ذخیره می‌کنند. دوربین‌های Plenoptic که قادر به ثبت میدان نوری هر صحنه به صورت کامل هستند می‌توانند زاویه‌های دید متعددی را تنها با استفاده از یک لنز اصلی ثبت کنند. این دوربین‌ها برای این منظور از آرایه‌ای از میکرولنز‌های بسیار کوچک استفاده می‌کنند که هر یک بخشی از سنسور تصویری را پوشش می‌دهند. این آرایه به‌طور معمول، بین لنز اصلی و سنسور قرار می‌گیرد و تصاویر کوچک زیادی را روی سنسور ایجاد می‌کند. سپس می‌توان این تصاویر را با استفاده از روش‌های خاصی پردازش کرده و تصاویری با چندین زاویه دید به دست آورد. دوربین‌هایی که از این‌گونه لنزها استفاده می‌کنند، اغلب قادر به بازتولید دقیق‌ترین تصاویر به صورت سه‌بعدی هستند.
آرایه‌ای از لنزها که به‌طور معمول بین لنز اصلی و سنسور در دوربین‌های سه‌بعدی قرار می‌گیرند.

اما پیچیده‌ترین قسمت پخش تصاویر سه‌بعدی این است که آن‌ها باید به گونه‌ای نمایش داده شوند که هر چشم تنها تصویر مربوط به خود را ببیند نه تصاویر مربوط به چشم دیگر را، زیرا در این حالت بیننده دو تصویر تار را مشاهده خواهد کرد که با هم منطبق نیستند. برای جدا‌سازی تصاویر از یکدیگر و نمایش آن‌ها از روش‌های مختلفی استفاده می‌شود که یکی از این روش‌ها استفاده از عینک‌هایی است که به اصطلاح به عینک‌های سه‌بعدی معروف هستند. این عینک‌ها نیز خود به دو دسته فعال و غیرفعال تقسیم می‌شوند. عینک‌های سه‌بعدی باید با هماهنگی نمایشگری که تصاویر سه‌بعدی را نمایش می‌دهد، کار کنند. به همین دلیل تمامی مدل‌های فعال، به نوعی با تلویزیون ارتباط دارند. در مقابل، آن‌هایی که در سینما‌ها استفاده می‌شوند، همیشه از انواع غیرفعال یا پسیو هستند.
اصلی‌ترین روش‌هایی که برای نمایش تصاویر سه‌بعدی در تلویزیون‌ها و سینما استفاده می‌شوند و هر یک از عینک‌های موردنیاز را می‌توان به انواع زیر تقسیم کرد:
Alternate-Frame Sequencing؛ با عینک‌های شاتردار فعال
Polarization 3D؛ با عینک‌های غیرفعال پلاریزه
Anaglyphic 3D؛ با عینک‌های غیرفعال قرمز و آبی
Autostereoscopic 3D؛ بدون نیاز به لنز، با نام Auto 3D نیز شناخته می‌شود.

عینک‌های فعال با شاتر کریستال مایع

شیشه عینک‌های با شاتر کریستال مایع شبیه به یک نمایشگر تک‌رنگ با یک پیکسل بسیار بزرگ است که سراسر زاویه دید را می‌پوشاند. برای ایجاد تصاویر با استفاده از این تکنیک و در نرخ 60 فریم بر ثانیه، تلویزیون به‌طور معمول، در هر ثانیه 120 تصویر متوالی را به نمایش درمی‌آورد که 60 فریم آن‌ مختص چشم چپ و 60 فریم دیگر مربوط به چشم راست است. این تصاویر به صورت یکی در میان پشت سر هم قرار گرفته‌اند و اگر با چشم غیرمسلح به آن‌ها نگاه کنید، می‌توانید اختلاف دو تصویر را در صحنه‌های مختلف به صورت دو تصویر تار که روی یکدیگر منطبق نیستند، مشاهده کنید. اما عینک فعالی که برای دیدن این تصاویر استفاده می‌شود، جلوی تصاویر را برای چشم مخالف می‌گیرد. برای مثال، هنگام نمایش تصویر مربوط به چشم راست، سلول کریستال مایع مربوط به شیشه چپ عینک فعال شده و به رنگ سیاه درمی‌آید، در نتیجه چشم چپ قادر نخواهد بود تصویر مربوط به چشم راست را ببیند، در حالی که شیشه جلوی چشم راست شفاف باقی مانده و این چشم تصویر را خواهد دید. در فریم بعدی، اتفاق مشابهی برای شیشه چشم راست می‌افتد و این‌بار جلوی دید چشم راست سد می‌شود تا از دیده شدن تصویر مربوط به چشم چپ توسط آن جلوگیری شود. شیشه‌های چپ و راست هر یک در هر ثانیه به اندازه دو برابر نرخ فریم اصلی تیره و روشن می‌شوند و در نتیجه بیننده قادر خواهد بود تصویر را به صورت سه‌بعدی مشاهده کند. در این فناوری، عینک باید به دقت با تلویزیون هماهنگ باشد تا بتواند در زمان صحیح، شیشه‌های مربوطه را تیره یا شفاف کند. برای این منظور، عینک‌ها از باتری داخلی استفاده می‌کنند و با استفاده از یک ارتباط بی‌سیم به تلویزیون متصل می‌شوند. تقریباً تمامی تلویزیون‌های جدید سه‌بعدی برای نمایش تصویر از این شیوه استفاده می‌کنند.
عینک 3D Vision از نمونه‌های فعال با شاتر کریستال مایع به همراه فرستنده و گیرنده آن برای هماهنگ‌سازی ساخت NVIDIA استفاده از این نوع عینک‌های سه‌بعدی می‌تواند به شکل مؤثری از اشکالات رایج تصویری چون تاری تصاویر و سایه‌دار بودن آن‌ها در دیگر فناوری‌ها جلوگیری کند. این مشکلات که بیشتر در فناوری‌های Real 3D TV یا استفاده از دو پروژکتور برای نمایش تصاویر سه‌بعدی دیده می‌شود، بسیاری از اوقات بر کیفیت نهایی تصویر خروجی، تأثیر منفی قابل توجهی دارد. علاوه بر این، عینک‌های اکتیو با شاتر کریستال مایع برعکس عینک‌های غیر‌فعال قرمز/ آبی، به هر دو چشم این امکان را می‌دهند تا محدوده کامل رنگ‌ها را در تصویر درک کنند. اما این عینک‌ها در فرکانس‌های پایین ممکن است بروز پرش و چشمک‌زدن تصویر را باعث شوند. به این دلیل که استفاده از این عینک‌ها، نرخ نوسازی واقعی تصویر را به نصف کاهش می‌دهد، اگر نرخ به اندازه کافی بالا نباشد، تصاویر به صورت پرش‌دار به نظر خواهند رسید. این مشکل هنگام استفاده از آن‌ها به همراه تلویزیون‌های LCD بیشتر مشخص می‌شود. تلویزیون‌های LCD به صورت سنتی دارای نرخ نوسازی بسیار بالایی نبوده‌اند و حتی هم‌اکنون نیز بسیاری از آن‌ها قادر به نوسازی تصاویر با سرعت بیش از 60 فریم بر ثانیه نیستند. از دیگر مشکلات این عینک‌ها می‌توان به کاهش روشنایی تصویر هنگام استفاده از آن‌ها اشاره کرد. به این دلیل که هر چشم نیمی از مجموع فریم‌ها را می‌بینید، روشنایی به صورت تئوری برای بیننده نصف روشنایی حقیقی تولیدشده توسط تلویزیون است. علاوه بر این، شیشه عینک نیز به دلیل استفاده از سلول‌های کریستال مایع در ساختار خود، مقداری از نور را جذب می‌کند که این موضوع می‌تواند روشنایی را بیش از پیش کاهش دهد. در نهایت، قیمت بالای این نوع عینک‌ها نیز می‌تواند به‌عنوان یکی دیگر از مشکلات آن‌ها مورد توجه قرار گیرد. در حالی که قیمت عینک غیرفعال با شیشه‌های پلاریزه یا عینک‌های قرمز/آبی تا حدود یک دلار کاهش داشته‌است، قیمت عینک‌های فعال با شاتر کریستال مایع در محدوده صد دلار برای هر یک باقی مانده‌است. در صورتی که قصد دارید تلویزیون سه‌بعدی خریداری کنید که از این نوع عینک‌ها پشتیبانی می‌کند، باید به نرخ نوسازی تصویر (یا فرکانس افقی که نباید کمتر از 120 هرتز باشد)، روشنایی تلویزیون و قیمت عینک‌ها توجه کنید. از دیگر انواع عینک‌های سه‌بعدی اکتیو می‌توان به عینک‌های با شاتر قرمز اشاره کرد که تنها با تلویزیون‌های CRT استفاده می‌شوند و در حال حاضر استفاده از آن‌ها منسوخ شده‌است.

تصویر 4