„Zobrazowanie 3D –

techniczne uwarunkowania

realizacji i psychofizyczne

odbioru obrazu”

Na podstawie referatu Jerzy ZIELIŃSKI, Marek OLIFIERCZUK

Instytut Fizyki Technicznej, WAT - Warszawa

Wykład – 13 -

Optoelektronika II SUM ETI 2011/12
zaoczny

Tematy referatów

1. Wyświetlacze ciekłokrystaliczne:

efekt

TN, problemy adresowania matrycowego,
budowa kolorowego wyświetlacza video.

2. Wyświetlacze plazmowe: budowa

kolorowego wyświetlacza plazmowego i
technika jego adreso-wania.

3. Wyświetlacze elektroluminescencyjne: EL,

OLED, PLED, LED – budowa, efekt fizyczny,
realizacja zobrazowania barwnego,
zastosowania, kierunki rozwoju.

4. Systemy projekcyjne: historia, współczesne

LCD, DLP, budowa, sposób realizacji
zobrazowania, kino cyfrowe.

5. Wyświetlacze na podłożach giętkich –

problemy budowy i kierunki rozwoju.

Zdolność przestrzennego widzenia dwuoczne-
go jest cechą, którą posiada większość ludzi.

Polega ona na wrażeniu trójwymiarowości otacza-
jącego nas świata połączonego z możliwością oceny
odległości do poszczególnych obiektów przestrzeni
jak również oceny wzajemnego położenia punktów
względem siebie.

Na której ścianie jest punkt ??

Zwróćmy uwagę jak głębia ułatwia nam

zrozumienie obrazu

Widzenie stereoskopowe, przestrzenne

􀂅 Nasze oczy są odległe o około 65 mm co powoduje, że ka-żde
z nich „widzi” trochę inny obraz.

􀂅 Ta różnica obrazów jest wystarczająca dla naszego mózgu
żeby określił względną odległość (głębokość) przedmiotów

􀂅 Skutkiem jest pojedynczy obraz przestrzenny

Typowa głębia ostrości tak realizowanego obrazu sięga 0,7-
1m.

 zakres ten może być zwiększony przez odpowiednie wspo-
maganie komputerowe.

􀂅 Około 10% populacji ma kłopoty z widzeniem przestrzen-nym
realizowanym „sztucznie” natomiast 5% nie widzi obra-zów
przestrzennych w ogóle.

Plan prezentacji:

1. Kilka słów o historii zobrazowań 3D

2. Sposoby realizacji zobrazowań 3D

3. Przykłady zastosowań

4. Wpływ zobrazowania 3D na zdrowie i samopoczu-

cie odbiorcy.

5. Podsumowanie

Plan prezentacji:

1.

Kilka słów o historii zobrazowań 3D

2.

Sposoby realizacji zobrazowań 3D

3. Przykłady zastosowań

4. Wpływ zobrazowania 3D na zdrowie i samopoczu-

cie odbiorcy.

5. Podsumowanie

Sir Charles Wheatstone 1802 – 1875

The Wheatstone StereoScope, 1838

Holmes Stereo Viewer

Stereo-karta

Ręczny stereoskop (amerykański)
firmy Art Holmes, 1897

1940’s: Viewmaster™

1950’s: 3D movies

Realizacja filmów w systemach 3D

2004: 3D na

Marsie

2005: pierwsze komercyjne TV

Plan prezentacji:

1. Kilka słów o historii zobrazowań 3D

2. Sposoby realizacji zobrazowań 3D

3. Przykłady zastosowań

4. Wpływ zobrazowania 3D na zdrowie i samopoczu-

cie odbiorcy.

5. Podsumowanie

Jeżeli zostanie zaprezentowany obraz, w którym nie zostaną zawarte
informacje o głębi, obserwator nie będzie wstanie określić odległości
od przedmioty. Jedyna informacją użyteczną dla niego będzie wielkość
przedmiotu - wielkość będzie sprawiała wrażenie bliskości.
Obserwator podejmie decyzje iż większy kwadrat jest bliżej niego.

W momencie dodanie do
obrazu informacji o głębi
(dodany został 3 wymiar
zdjęcia), obserwator bez
trudu stwierdzi iż mniej-
szy sześcian znajduje się
bliżej obserwatora.

Metody uzyskiwania obrazów

stereoskopowych

Według kolejności powstawania:
• Metody rysunkowe i malarskie (ręczne)

Przykład perspektywy lineralnej Idealne miasto (1475),

Piero della Francesca.

Sztuka okresu prehistorycznego

Metody uzyskiwania obrazów

stereoskopowych

• Metody fotograficzne

Pierwszy rozkwit technik obrazowania
trójwymiarowego nastąpił bezpośrednio po
narodzinach fotografii pod koniec zeszłego wieku.
Dość łatwo jest uzyskać zdjęcie trójwymiarowe.
Sprowadza się to do wykonania dwóch zdjęć
(stereopary), z dwóch punktów oddalonych od
siebie tak, jak oczy obserwatora, czyli ok. 65 mm

Metody uzyskiwania obrazów

stereoskopowych

W przypadku obiektów nieruchomych wystarczy

jeden aparat, który, przesunięty po wykonaniu
pierwszego zdjęcia wykonuje drugie ujęcie.

Do ruchomych scen
powyższa metoda zupełnie
się nie nadaje. Oba zdjęcia
składowe muszą być
wykonane jednocześnie.
Najlepszym rozwiązaniem
jest fabryczny aparat
stereoskopowy

Metody uzyskiwania obrazów

stereoskopowych

• Metody komputerowe i wideo

Z obrazami 3D generowanymi komputerowo
spotykamy się przy np. w programach graficznych
oraz grach komputerowych.

Największe wrażenie robią kolorowe filmy 3D
wyświetlane na dużym ekranie w kinach typu
IMAX. Widzowie, zaopatrzeni w okulary
polaryzacyjne, oglądają wysokorozdzielcze,
kolorowe obrazy rzutowane z dwuobiektywowego
projektora na specjalny, metalizowany ekran
(zwykły zmieniałby polaryzację światła i w efekcie
- powodował zanik trójwymiarowości)

Metody uzyskiwania obrazów

stereoskopowych

Dlaczego tak ważne jest zobrazowanie 3D

􀂅

Jest to naturalny kierunek rozwoju systemów

zobrazowania

> Systemy monochromatyczne 􀂅 Kolorowe 􀂅

3D

􀂅

System 3D pozwala na przedstawienie informa-cji

dokładniejszej i łatwiejszej w interpretacji

> Potencjalnie oszczędza czas i zwiększa dokładność
> Potencjalnie redukuje „szumy” utrudniające zrozumienie obrazu

􀂅

Obraz trójwymiarowy jest bardziej atrakcyjny dla

odbiorcy – użytkownika

􀂅

Zobrazowanie 3D sprawia wrażenie, że odbior-ca,

klient jest dopuszczony do nowszej bardziej za-
awansowanej technologii.

Holografia

Wyświetlacz holograficzny

Autostereo 3D holograficzny wy-
korzystuje holograficzny ekran i
wielokanałowe źródło informacji.

􀂅

Prototyp

HoloVizio 640RC

zawiera:

> 72-calowy ekran, 16:9
> Rozdzielczość 3D 50Mpixeli*
> Kąt widzenia 50 to 70°

* System wykorzystuje 64 proje-

ktory (!) 1024x768

Pierwszym spektakularnym sukcesem holografii w telewi-
zji była transmisja wieczoru wyborczego w amerykań-
skiej stacji CNN. Podczas wieczoru wyborczego reporter
stacji CNN oddalony od studia o setki kilometrów prze-
niósł sie do studia z wykorzystaniem hologramu. Tran-
smisja odbywała sie "na żywo".

Nad całością przebiegu operacji pracowało blisko 40 sta-
cji graficznych oraz 35 kamer wideo rejestrujących prze-
syłany obraz. Aby zapewnić płynną animacje 25 klatek /
sekunda należało wykonać blisko 900 zdjęć na sekundę.
Efekt choć nie do końca idealny przybliżył możliwość wy-
korzystywanie holografii w telewizji

Wolumetryczne systemy 3D

Przedstawia rzeczywiście obraz 3D poprzez projekcję na
wiele płaszczyzn/powierzchni

Projektor DLP rzutuje obraz na 20 paneli LCD z
częstotliwością 50 Hz

 każdy z paneli przełącza się pomiędzy modem rozpraszają-
cym a transparentnym

 wymiary 27,5 x 22 x 29.8 cm

 system nie ma części ruchomych

 rozdzielczość 1024 x 748 x 20 (w głąb)

 32768 kolorów

 kąt widzenia 90

O

bez żadnych okularów itp.

Viewers could see all the way

around the Perspecta dome

display, which provided a 360º

view of the volumetric image

within.

Maj 2010

Stereoskopia

Złudzenie trójwymiarowości w technologii stereo-
skopowej zwykle powstaje dzięki specjalnym oku-
larom separującym te obrazy.

 Przesunięcie osi widzenia

 Przez odpowiednie zarządzanie kolorem (metoda anagli-
fowa)

 Przez odpowiednią polaryzacje obrazu

 Przez zarządzanie czasem wyświetlania ( system sekwen-
cyjny)

Zarządzanie kolorem (metoda anaglifowa)

Problemem jest przekłamanie kolorystyczne

– oko za

sprawą filtrów widzi niepełną paletę barw

Nowoczesne systemu komputerowe potrafią generować
w czasie rzeczywistym obrazy anaglifowe. Wykorzystują
do tego celu odpowiedni algorytm, który przesuwa gene-
rowany obraz oraz aplikuje dominantę czerwoną lub nie-
bieską.

Model aparatu anaglifowego

Przykład zdjęć wykonanych w technice anaglifowej

Polaryzacja obrazu

Istota metody, polega na stworzeniu dwóch obrazów, w
których światło jest spolaryzowane w różny sposób.
Dzięki specjalnym okularom polaryzacyjnym, do oka do-
ciera właściwy obraz.

Niestety w tej technologii traci się

rozdzielczość, a przez to jakość obrazu

.

􀂅

Wykorzystywane są dwa displeje LCD

> Jeden kontroluje obraz = intensywność drugi pola-
ryzację
􀂅 Musi być stosowany specjalny algorytm adreso-
wania

Polaryzacja obrazu

􀂅

Zalety

 Taka sama rozdzielczość obrazu 2D i 3D

 Niezmieniony kształt monitora (poza grubością)

 Szeroki kąt widzenia , może być obserwowany przez
kilka osób

 Może być zbudowany praktycznie z dowolnego AM LCD

􀂅

Wady:

> Konieczne są okulary
> Konieczny jest złożony system adresowania
> Konieczne jest źródło światła skolimowanego.

Polaris 10-inch 3D
Stereo Monitor



Zintegrowane dwa wyświetlacze LCD



Lustro dzielące światło



Okulary polaryzacyjne



Szeroki kąt widzenia

Model aparatu cyfrowego stereoskopowego

W tej technice lewy i prawy obraz wyświetlane są sekwencyjnie.
Dzięki specjalnym aktywnym okularom z przesłonami zsynchro-
nizowanymi z obrazem, które otwierają się i zamykają z dużą
częstotliwością, do właściwego oka dociera właściwy w danym
momencie obraz.

Plusem tej technologii jest to, że ani nie

zaburza kolorów, ani jakości obrazu.

Jednocześnie przy dużej
częstotliwości odświeżania,
ruch przesłon jest nieza-
uważalny.

Warunkiem jednak jest krótki
czas reakcji matrycy, co może
stanowić problem dla ekranów
LCD. Doskonale za to radzą
sobie z tą technologią telewi-
zory plazmowe i klasyczne CRT

Zarządzanie czasem wyświetlania

( system sekwencyjny)

􀂅 Zalety

 System zobrazowania

 Dobre odtworzenie kolorów

 Szeroki kąt widzenia, możliwość obserwacji przez wielu
widzów

􀂅 Wady

> Konieczne są okulary dobrej jakości (dynamika)
> Ograniczenie jasności obrazu
> Może się pojawiać szkodliwe migotanie
> Preferowane do zastosowań CRT wychodzą z produkcji

􀂅 Czas adresowania utrudnia wykorzystanie obe-cnie
najpopularniejszych na rynku AM LCD

Zarządzanie czasem wyświetlania

( system sekwencyjny)

Inne rozwiązania szczegółowe

􀂅

Efekt jest uzyskiwany przez wykorzystanie dwóch mi-

niaturowych displejów osobnego dla lewego i prawego oka

􀂅

Preferowane technologie to: AMOLED, AMLCD, AMEL

Systemy hełmofonowe

􀂅 Zalety

> Pełna rozdzielczość dla każdego oka
> Wysoki kontrast
> OLED pozwala na uzyskanie pełnych kolorów i dużej
dynamiki
> Możliwość „pełnego zanurzenia”

􀂅 Wady

Dyskomfort związany z
wagą

Koszt

Pełna izolacja od otocze-
nia

Viking Systems

􀂅 Autostereoskopia – NIE SĄ POTRZEBNE

OKULARY

> Bazuje na wykorzystaniu AM LCD ze „specjalnymi”
elementami optycznymi które separują obraz na wi-
doczny przez lewe lub prawe oko
> System jest budowany tak aby uzyskać optymal-
ną przestrzeń dobrego widzenia obrazu

Systemy autostereoskopowe

Zasady działania metody soczewkowej

Parallax Barrier

Lenticular Lens

Sprzedawca: Sharp, DTI,
Pavonine

Sprzedawca: Stereographics,
Philips,X3D/Siemens, ACT Kern,
SeeReal Technologies

􀂅 Zalety:

> Nie są wymagane żadne okulary
> Wierne odtworzenie kolorów
> Są znane rozwiązania które pozwalają na dobre od-
tworzenie zarówno obrazów 3D jak i 2D
> Dobrze dopasowane do głównego rynku TV (AMLCDs)

􀂅 Wady:

> Horyzontalna rozdzielczość jest limitowana przez „do-
datkową strukturę”
> Ściśle określony kąt dobrego widzenia obrazu
> Nie wszystkie rozwiązania pozwalają na odtworzenie
obrazu 2D

Philips WoWvx 42-inch
Stereo 3D Monitor

Dwa projektory – pasywne okulary

􀂅 Projekcja odbywa się ze standardową szybkością przez
polaryzatory
􀂅 Pasywne okulary
> Nie polaryzujący ekran

􀂅 Wytwórcy: Barco, Vizev-
erywhere, DIY (Do It Yourself)

Kinowe systemy 3D

Jeden projektor – pasywne okulary

􀂅 Projektor wyświetla obraz z podwójną szybkością
􀂅 Pasywne okulary + szybki polaryzacyjny modulator na
wyjściu projektora
> Nie jest wymagany ekran polaryzacyjny

Kamera 3D

Schemat działania systemu obrazowania MasterImage

Projektor MasterImage

Gold Award: LG Display’s 47-in. 3-D LCD Panel
is the first commercially available TFT-LCD
module for 3-D televisions in the mid-40-in. range.
The panel works with polarized glasses to provide
high-quality 3-D imagery.

DISPLAY OF THE YEAR

May 2010

Silver Award: The RealD XL Cinema System
mounts to a commercial
projector to provide, in conjunction with polarizing
eyewear, cinematic-quality 3-D imagery.

DISPLAY

COMPONENT OF

THE YEAR

Silver Award: NVIDIA’s 3D Vision wireless
active-shutter glasses
have been designed with top-of-the-line optics and
offer ultra-wide viewing angles.

DISPLAY APPLICATION OF THE YEAR

Plan prezentacji:

1. Kilka słów o historii zobrazowań 3D

2. Sposoby realizacji zobrazowań 3D

3. Przykłady zastosowań

4. Wpływ zobrazowania 3D na zdrowie i samopoczu-

cie odbiorcy.

5. Podsumowanie

W fotogrametrii są używane stereoskopowe zdjęcia

satelitarne w celu stworzenia trójwymiarowego

modelu ukształtowania terenu

„Geowall Consortium” mapy geodezyjne terenu

w krystalografii i modelowaniu cząsteczek 3D

poszukiwania gazu i ropy naftowej

w medycynie podczas wykonywania rezonansu

magnetycznego, tomografii komputerowej czy

ultrasonografii

Zdjęcia płodu twarz

kręgosłup

w komputerowym wspomaganiu projektowania i

wytwarzania elementów, w mechanice, architekturze

i przemyśle

Plan prezentacji:

1. Kilka słów o historii zobrazowań 3D

2. Sposoby realizacji zobrazowań 3D

3. Przykłady zastosowań

4. Wpływ zobrazowania 3D na zdrowie i samo-

poczucie odbiorcy.

5. Podsumowanie

Widzenie przestrzenne

Czynniki fizjologiczne
powodujące wrażenie głębi:



Akomodacja - pozwala na uzyskanie
ostrego obrazu zarówno przedmio-
tów odległych jak bliskich poprzez
zmianę długości ogniskowej soczewki
oka



Konwergencja - zdolność oczu do
śledzenia obserwowanego przed-
miotu poprzez zmianę położenia
gałek ocznych

WAŻNE CZYNNIKI FIZJOLOGICZNE

Pojawiają się problemy typu:

-Epilepsja

-Choroba lokomocyjna

-Akomodacja i konwergencja

Dyskomfort widzenia 3D

1. Odczucie głębi
2. Komfort wizualny

1. Odizolowanie obserwatora od otoczenia
2. Migotanie obrazu (7 – 30 Hz)
3. Nagłe błyski
4. Efekty interferencyjne

a. W systemie generowane są dwa „półobra-

zy” płaskie, których złożenie ma dać

złu-

dzenie

widzenia przestrzennego.

b. Niezgodność bodźców odbieranych przez

wzrok i inne zmysły.

c. Znaczne ograniczenie pola widzenia.

PRZYCZYNY

(a) Photograph of the workstation used during screening measur-
ement including a control console, an examination chair, a double
sliding instrument table, a projector column, and a phoropter. (b)
Screen shots of two visual assessment tools of the program Test
Chart 2000. The upper is used for aligning prism with fusion lock
combined with Risley prisms and the lower for fixation disparity
without fusion lock with adjustable nonius lines via Test Chart 2000.

Test czytania

Przykład ankiety

Presence questionnaire
1. How credible were the scenes that you saw and experienced in
the 3-D world compared to how you experience scenes in the real
world?
2. My 3-D experience was...
3. How aware were you of the “real” world (sounds, room tempera-
ture, other people) while watching the 3-D movie?
4. Did this 3-D-movie differ essentially from a 2-D movie? How?
5. How did the 3-D glasses fit on your head?
6. The task was: boring 1 2 3 4 5 very interesting.
7. My opinion about 3-D presentations changed because of this test
to:

- clearly more negative
- somewhat more negative
- no change
- somewhat more positive
- clearly more positive.

8. Would you like to visit a 3-D movie theater again?

Yes No I don’t know

9. Which contents/programs/applications will benefit ….

The SSQ examines symptoms related to disorientation, nausea, and
oculomotor areas. In addition, subjects filled out a short visual-strain
questionnaire, which only focuses on susceptibility to visual symptoms.
We used the SSQ and VSQ questionnaires to compare the perceptional
observations and the strength of these observations before and after the
task performance because earlier visitors of 3-D cinemas have often
suffered from symptoms described earlier.

Dyskomfort wykorzystania systemu 3D

1. Pierwsze wyświetlacze stosunkowo słabej jakości

wywołały niechęć do szerokiego wykorzystania
wyświetlaczy 3D.

2. Ważnym problemem jest widzenie „werticalne”

3. Prezentacja nadmiernej głębi ostrości może spo-
wodować znaczne zmęczenie wzroku.

4. Mniej problemów powstaje przy obserwacji di-
splejów wolumetrycznych

Plan prezentacji:

1. Kilka słów o historii zobrazowań 3D

2. Sposoby realizacji zobrazowań 3D

3. Przykłady zastosowań

4. Wpływ zobrazowania 3D na zdrowie i samopoczu-

cie odbiorcy.

5. Podsumowanie

Systemy 3D są naturalnym kierunkiem rozwoju

Dla osób wykorzystujących je profesjonalnie stano-
wią istotną, jakościowa zmianę narzędzia pracy

Powoduje to zainteresowanie wykorzystaniem tych
systemów w szeroko rozumianej rozrywce

Ale tu pojawiają się problemy

Jakie niewygody jest w stanie zaakceptować od-
biorca (okulary, kąt widzenia, kolor, dynamika)

Jaką różnicę ceny w stosunku do 2D możemy za-
akceptować

Drukarki przestrzenne

Drukarka trójwymiarowa, urządzenie nanosi w obszarze
roboczym warstwę materiału o grubości przykładowo
0,02 mm, następnie stolik roboczy urządzenia zostaje
obniżony 0,02 mm i następuje nałożenie kolejnej war-
stwy.

Efekt pracy drukarki 3D.
Porównanie warstw cienkich
oraz grubych

Przykłady zastosowań drukarki 3D w architekturze

Przykłady zastosowań drukarki 3D w szkolnictwie

Przykłady zastosowań drukarki 3D w GIS

Przykłady zastosowań drukarki 3D w medycynie

Systemy wspomagające prace systemów
3D

Systemy wspomagające prace systemów trójwymiaro-
wych to przede wszystkim systemy w których świat wir-
tualny możemy tworzyć.
Przykładem takiego systemu wspomagającego jest pro-
gram komputerowy Cinema 4D.

Program Cinema 4D. Przykładowy projekt

Advanced Render jest kluczem do pełnego fotorealizmu.
Dzięki modułowi modele tworzone w programie uzyskują
niespotykany w innych programach wymiar jakości.
Najnowszy Moduł Advancer Render umożliwia fotorealisty-
czną symulację odbijania i absorpcji światła przez wszy-
stkie elementy znajdujące sie w renderowanej scenie, pro-
gram korzysta z zaawansowanego algorytmu który oblicza
cień. W module dostępne są również predefiniowane
ustawienia słońca, oraz nieba (także chmury, gwiazdy i
księżyc).

MoGraph, jest odpowiedzialny za efekty specjalne takie
jak latające logo, animowanie napisów. MoGraph pozwala
na "operowanie ruchem" dostępnych modeli na scenie.

MOCCA jest modułem zajmującym sie animacją postaci.
Moduł oferuje narzędzia, które sprawiają, że ruch postaci
jest realistyczny i naturalny. Moduł wykorzystuje "miękką
kinematykę" do zaawansowanej animacji postaci. Moduł
MOCCA składa się też z narzędzi do symulowania fizyki u-
brań. Możemy wymodelowane postaci ubierać w realisty-
czne materiały.

HAIR to profesjonalne narzędzie służące do stylizacji
oraz animacji włosów, futra, piór oraz sierści. Podczas
pracy z modułem możemy skorzystać z intuicyjnych
narzędzi do modelowanie włosów takich jak: grzebień,
szczotka, loki, wałek, pędzel oraz nożyczki. Narzędzie
mimo swoich ogromnych możliwości jest bardzo łatwe w
użytkowaniu nawet dla początkujących użytkowników
programu.

Thinking Particles, jest to zestaw modułów zajmujących
sie zachowaniem cząsteczek wody, ciała stałego, gazu.
Dzięki modułowi możemy tworzyć realistyczne sceny in-
terakcji wody z otoczeniem, lub przelewanie płynów oraz
realistyczne sceny pękania ciała stałego.

PyroCluster - wolumetryczne narzędzie odpowiedzialne ze
symulacje kurzu, ognia, dymu oraz podobnych efektów
specjalnych. W module do każdej cząsteczki jest dodawany
shader proceduralnej objętości. Dzięki prostocie działanie
modułu każdy efekt możemy w łatwy sposób manipulować
w zależności od naszych wymagań.

Dynamics, jest to profesjonalny moduł do odwzorowania
praw fizyki w scenie trójwymiarowej. Moduł umożliwia re-
alistyczną symulacje tarcia, grawitacji, wiatru, przyśpie-
szenia oraz zderzeń (sprężystość ciał sztywnych oraz sprę-
żystość ciał miękkich). Korzystając z moduły mamy do dy-
spozycji bogaty wybór kontrolek do modyfikowania proce-
sami.

BodyPaint 3D, jest to jeden z ciekawszych modułów do-
stępnych w Cinema 4D. Narzędzie pozwala na nakładanie
tekstur na obiekty na scenie bezpośrednie za pomocą cy-
frowego pędzla. Ten sposób modelowania eliminuje żmu-
dne tworzenie oraz nakładanie tekstur na scenę oraz o-
biekt. W module możemy również korzystać z dużej pale-
ty filtrów dostępnych wcześniej tylko i wyłącznie w profe-
sjonalnych programach do tworzenia oraz obróbki grafiki
komputerowej.

Sketch and Toon - jest rewelacyjnym modułem do ge-
nerowania nie foto realistycznych scen. Moduł wykorzy-
stywany jest do rysunków technicznych oraz wszelkich
szkiców.