К радиолюбительскому делу статья не имеет никакого отношения - иногда надо "переключать" свои руки и разум на что-то "стороннее" - тогда возвращаясь к радиолюбительским проектам ошибки находятся быстрее.
Много лет тому назад проводил опыты по превращению 2D монитора в 3D монитор (мода такая была), а тут разбирая "завалы" нашлась электронная фоторамка от Kodak, самое то для основы 3D фоторамки (автостереоскопической, технология Parallax barrier).
Немного истории
Популярность "стерео" просмотра визуального контента прошла (интерес к "стерео" проявляется периодически - всплеском с развитием технологий - потом утихает... сейчас уже не увидишь в продаже телевизоров и мониторов с поддержкой стерео просмотра, остались на рынке довольно специализированные "агрегаты" для сфер применения, где это действительно необходимо).
Первыми стереоизображениями можно считать картины французского живописца Буа-Клэра (Bois-Clair), представившего на обозрение публики в 1692 году необычное развлечение - "наблюдение живых картин".
Технология достаточно проста - перед картиной располагались пластины, перпендикулярные полотну картины, за счет этого достигалась сепарация изображений для правого и левого глаза. Работы Буа-Клэра экспонируются сейчас в замке Розенборг в Копенгагене. Но такая "техника" не нашла своего потребителя в то время, и следующий расцвет стерео был лет через 200....
Первые стерефотографии появились в середине XIX века (в период совершенствования технологических процессов получения фотоснимков), и все "утихло" к началу XX, осталось уделом любителей. Следующий виток "интереса" опять связан с развитием технологий производства кинофильмов - двадцатые - сороковые годы прошлого века (имеется ввиду создание доступных технологий создания стереофильмов). Считается, что первый коммерческий показ прошел в 1915 году в Нью-Йорке (метод сепарации изображений чёрно-белой стереопары при помощи цветового кодирования. - анаглифический метод).
Хотя, регулярно "проскакивает" информация о демонстрации "объёмных картин" в кинозале "Танагра" в 1911 году в Санкт-Петербурге, и тут же упоминается система двухцветного кино от немецкого промышленника Оскара Местера - "Kinemacolor" (очень похоже на систему "анаглифа" - только цель другая - получение "цветной" картинки) - совсем не факт, что это было "стереокино" в том виде, как мы его понимаем сейчас. Кроме упоминаний о "стереопаказах" в Санкт-Петербурге есть упоминания о показах в Одессе в 1913 году. Никакой информации, более детальной, нет.
Далее, шло развитие технологии "анаглифа" - привычные с детства многим "цветные очки". Были робкие попытки применения сепарации стереопары с помощью поляризации - но технологии производства полимеров еще только становились доступными, а "естественные" поляризаторы (например, призмы Николя) были "громоздки" и дороги. Только к сороковым годам прошлого века (в 1935 году, Эдвин Лэнд, основатель компании «Polaroid», начал массовый выпуск дешевых поляроидных пленок, содержащих множество микроскопических кристаллов герапатита в матрице из прозрачной полимерной плёнки из нитроцеллюлозы) сепарация с помощью поляризаторов стала экономически доступна массово (оконечное устройство разделения (очки) стали доступны по цене и конструкции).
Но все приведённые выше технологии требовали наличие "оконечного" устройства сепарации стереопары - главная задача состоит в "доставке" нужной информации к соответствующему глазу (потребителю). А еще в начале прошлого века Габриэль Липпман (1845-1921, нобелевский лауреат) предложил другой метод сепарации - разделение с помощью линз (использовалась гофрированная пленка). Дальнейшее развитие идеи продолжил французский изобретатель Морис Бонне, в результате получилась практически та технология, которую мы называем лентикулярной.
В то же время велись работы по применению щелевого растра (барьерного, parallax barrier) - Огюста Бертье во французском научном журнале Le Cosmos в мае 1896 года опубликовал статью о получении и просмотре стереограммы с использованием щелевого растра. Идея Бертье почти не была замечена, но американский изобретатель Фредерик Юджин Айвс добился большего успеха со своей очень похожей стереограммой с параллаксом в 1901 году. Он также запатентовал технику «сменного знака, изображения и т. д. » и параллакс стереограммы в 1903 г..
В начале прошлого века выпускались "живые открытки" и использованием этой технологии. Достаточная сложность и низкое качество получаемого эффекта на некоторое время "заморозили" технологию основанную на применении щелевого (барьерного) растра (интересная статья по истории развития технологии, на французском, переводчик в помощь).
В Советском союзе в НИКФИ, в лаборатории под руководством Семена Павловича Иванова велись подобные работы - исследовались не только лентикулярные линзы, но и барьерные растровые линзы (почитать, если интересно). Данные технологии не требовали очков или иных приспособлений для просмотра стереоконтента - данный метод просмотра называют автостереоскопическим (каждый глаз видит только ту информацию, которая "нужна" для формирования объёмного изображения). Велись разработки и в стереокино - уже в начале 1941 года в кинотеарте "Москва" демонстрировался стереоскопический фильм (почитать, если интересно).
Великая Отечественная война затормозила работы в направлении стерео - были более важные задачи, и не смотря на это был разработан светосильный линзо-растровый экран. После войны, начиная c 1947 года в городах страны начали открываться стерео кинотеатры с линзо-растровыми экранами (описание кинотеатров, ссылка). Самая большая проблема при просмотре - найти оптимальное положения относительно экрана. Эпоха "растрового" стереокино в нашей стране продолжалась до середины шестидесятых прошлого века. Далее началась эпоха "поляроидного" стереокино, хорошо нам знакомая.
С историей вопроса надо завершать - много интересного - и по системам, и по современным технологиям - в одной маленькой статье не уместить. Темы голографии вообще не касались. У меня сохранилась голограмма, изготовленная дочерним предприятием Государственного Оптического Института им.С.И.Вавилова (технология Денисюка). Сфотографировать достаточно сложно - поэтому несколько фотографий.
Используемые материалы, оборудование и конструкция
Перед работами рекомендую заглянуть в книгу "Стереоскопия в кино, фото, видеотехнике. Терминологический словарь." авторов С.Н. Рожкова и Н.А. Овсянниковой (ссылка, документ pdf). Так же не помешает глянуть упрощённую методику расчета (ссылка). Методика кодирования изображения описана в этой статье.
В домашних условиях при некотором терпении можно применить именно технологию щелевого (барьерного) растра. Потребуется лазерный или струйный принтер, стекло вырезанное в размер и электронная фоторамка (или планшет, или LCD матрица, или любой источник визуальной информации с точно структурированной системой представления), прозрачная пленка для печати (для лазерного принтера и струйного пленки отличаются). Можно обойтись без электронной фоторамки - тогда нужно просто кодированное изображение распечатать на пленке и обеспечить подсветку - можно получить достаточно качественную авто стереоскопическую картинку.
В наличии - электронная фоторамка от Kodak EasyShare P86 (много лет валялась без дела). Краткие характеристики:
- Разрешение - 800x600;
- Диагональ экрана - 8";
- Яркость экрана - 200 кд/м2.
Принтер - лазерный Xerox WC3119, 600 DPI (совпадает с LPI). При использовании струйного принтера надо отметить - показатель DPI совсем не означает, что Вы сможете с такой разрешающей характеристикой вывести линию (LPI) - "пиксель" при струйной печати обычно состоит из нескольких точек, а DPI определяет именно размер точки. В технологии лазерной печати размер "пикселя" определяется размером "точки" лазерного луча (очень грубо изложено - факторов, влияющих на размер больше).
Стекла во время опытов использовались разной толщины - 1.2 мм (фоторамка из фикспрайса), 2.5 мм (акрил), 3 мм и 5 мм ("оконное" стекло).
В принципе, хорошо бы разобрать фоторамку и посмотреть на марку LCD матрицы - потом глянуть на https://www.panelook.com/ размер dot и пикселя, но я ленивый - просто посмотрел, что у всех матриц 8 дюймов с разрешением 800 на 600 размер пикселя 0.2025x0.2025 миллиметров, размеры видимой области 162 мм на 121.5 мм. Яркость для наших целей маловата - 200 кд/м2.
Так же необходимо знать ориентацию расположения точек в пикселе. Ориентацию можно посмотреть через увеличительные оптические приборы. На фотографии ниже расположение цветных точек в пикселе используемой матрицы.
В моем случае ориентация вертикальная, в противном случае экран пришлось бы повернуть на 90 градусов - иначе вместе с изображением мы будем наблюдать и цветной муар. Рисунок ниже объясняет конструкцию щелевого растра для LCD и почему необходимо учитывать ориентацию точек в пикселе.
Следующий рисунок поясняет создание фокальных зон. Нам надо иметь две разноименные фокальные зоны, соответственно для левого и правого глаза.
Так же необходимо проверить программное обеспечение электронной фоторамки на возможность без искажений выводить изображение (то есть "пиксель в пиксель"). К сожалению, фоторамка от Kodak умеет обрабатывать только формат jpg. И обработка происходит с некоторыми артефактами. На фотографии ниже выведены чередующиеся полосы красного и синего цвета в один пиксель. Хотя черно-белое чередование отображает без артефактов.
Решением проблемы стало увеличение ширины линий до двух пикселей.
Для крепления растра к электронной фоторамке были напечатаны уголки с подстроечными винтами, которые закрепляются по углам фоторамки.
Не самая удачная конструкция, не сильно красиво. Если "затея приживётся", вырежу на ЧПУ декоративную фальш-рамку из акрила.
Синтез растра и кодированных изображений, платформа G'MIC
Предвидя некоторое количество итераций при практическом "подборе" растра для LCD экрана был произведен поиск программного обеспечения для синтеза щелевого растра. Как оказалось (может плохо искал), практически всё программное обеспечение "заточено" под лентикулярную технологию создания и печати 3D изображений. Это не совсем подходит для технологии щелевого растра и LCD экрана - пришлось потратить время на написание необходимых инструментов - сценария "Stereo image encoding for LCD screen and raster" для кодирования изображений и сценария "Raster synthesis for LCD 3D" для синтеза и "подгонки" растра под конкретную LCD.
В качестве платформы выбран G'MIC (GREYC's Magic for Image Computing), ну а так как работать привык с графическим редактором GIMP - сборка G'MIC-Qt. Платформа в качестве дополнения есть ко многим графическим редакторам, в том числе и к Фотошопу, так же есть отдельной программой.
Тут лирическое отступление - язык сценариев кажется простым, чем то напоминающий bash, но за внешней простотой кроется богатая "начинка": всегда нужно чётко понимать - в качестве объекта у функции может быть переменная или изображение, или все изображения в конвеере, и при неправильном "целеуказании" вполне можно получить совсем не то, что ждал. Документация, к сожалению, временами сильно "куцая", примеры все относятся к консольному варианту платформы, но к счастью спасают "исходники" сценариев, которые идут в комплекте (около 500 фильтров). В варианте для GIMP нет возможности в GUI выводить служебную информацию, считается, что вывод идёт в стандартный stdout. В Win10 с запуском и выводом в консоль облом.... может, что недосмотрел. С вводом параметров в Qt версии более менее - 5 вариантов ввода включая выпадающие списки и радиокнопки. Причём нет возможности "ветвить" ввод - интерпретатор кушает всё сразу и показывает все поля (#@gui) в сценарии, что совсем не удобно. Так же при медленных сценариях доставляет неудобство автоматический перезапуск сценария при изменении состояний полей (может и есть решение данной проблемы, кто знает, напишите). Но раз уж "вляпался", так, что уже пинать инструмент, изучай. В конце концов разобрался - если в чём не прав - поправьте.
Установка платформы проста - скачиваем (ссылка), устанавливаем. В GIMP после создания или открытия изображения в разделе "Filters" в самом низу списка появится "G'MIC-Qt...".
Сценарии для создания растра и кодирования изображения можно скачать по ссылке (файл user.gmic)
Скаченный пользовательский сценарий положить по пути C:\Users\USER\AppData\Roaming\gmic\user.gmic. Не забываем указать в настройках G'MIC путь для нового источника сценария ("Setting -> Filter source"). В случае редактирования сценариев советую использовать редактор Notepad++. Код достаточно прокомментирован. Далее быстрая инструкция по работе со сценариями (я ещё тот программист, так, что извините, сценарии выкладываю "как есть"). Начнём с сценария "Stereo image encoding for LCD screen and raster".
Для получения кодированного изображения для LCD матрицы необходимо иметь минимум два ракурса, с разрешением равным разрешению матрицы. Изображения необходимо расположить на разных слоях - верхний для левого глаза. В качестве примера - обработка синего и красного поля - данный тест понадобится в дальнейшем для настройки положения растра. В моем случае разрешение 800 на 600 пиксель.
Далее открываем фильтр G'MIC-Qt, в списке сценариев выбираем "Stereo image encoding for LCD screen and raster". Несколько не логично работает "предпросмотр" - расчеты используют не "реальные" размеры исходных изображений, а с учётом масштабирования изображения для предпросмотра. Это может ввести в заблуждение - даже если выставить масштаб 100% - изображение не будет полностью отображаться в предпросмотре - по ширине размер будет взят только видимого участка. Но это не мешает проверить правильность кодирования. При окончательном выводе ("Применить" или "Ок") сценарий работает с исходными изображениями.
В разделе "Ввод/Вывод" в поле "Ввод" устанавливаем "Все". В поле "Вывод" - по Вашему усмотрению.
Поле "Processing sequence" определяет алгоритм кодирования - сначала сжать - потом порезать и наоборот. "Number of lines of LCD pixels for each picture" - определяет ширину сегмента "нарезки" в пикселях LCD для каждого ракурса. Обычно достаточно ширины в один пиксель - но в моем случае лучший результат (из-за особенности фоторамки) - 2 пикселя. "Resize mode interpolation" - какой алгоритм интерполяции при сжатии использовать, для сцен, содержащих геометрические фигуры подойдёт nearest (по ближайшим пикселям), дл сцен с мелкими деталями bicubic. "Mirror image of segments" - зеркальное отображение сегментов "нарезки" (например, при использовании лентикулярного растра). "Reverse image sequence RL on LR" - изменение порядка ракурсов. "Using prepared images" - использование заранее подготовленных (сжатых по горизонтали) изображений. "Preview ON" - показ окна просмотра результата - после закрытия сценнарий продолжит работу. Результат работы сценария показан на рисунке ниже.
Теперь о синтезе растра. Открываем сценарий "Raster synthesis for LCD 3D". Процесс генерации растра достаточно длительный - растр разрешением 800 на 600 генерируется около минуты. Так же при работе "мешает" неприятная особенность платформы - процесс генерации запускается при каждом изменении состояния полей ввода. Как обойти эту неприятность - пока не нашёл.
Задача состоит в подборе периода растра "а" (см. схему на рисунке выше), равной периоду следования пикселей LCD матрицы. В моем случае сегмент для одного ракурса равен двум пикселям, два ракурса - 4 пикселя LCD. Так же существенную роль играет размер (ширина) "окна" - щели между барьерами. Ширина окна зависит от расстояния между LCD матрицей и растром - чем меньше "окно", тем более вытянутые фокальные зоны наблюдения, но и меньше световой поток от матрицы. Изначально, в сценарии ширина "окна" равна ширине барьера - половина периода растра. Изменить ширину окна можно в поле "Width window zone, px print". Практически, в моем случае, хороший результат получен при расстоянии от матрицы до растра 3 мм и ширине окна в 42% от периода растра при расстоянии просмотра 50 см.
Все корректировки в сценарии делаются в размере "точки" (пикселя, для струйного принтера состоящего из некоторого количества капелек краски) принтера. Для начала работы необходимо ввести разрешение растра, равное разрешению LCD матрицы, размер пикселя LCD матрицы, плотность печати (DPI или для струйного принтера- LPI), количество изображений ракурсов, количество пикселей LCD (ширину "сегмента") для каждого ракурса. Так как бытовые принтеры - устройства не точные - необходимо получить поправочный коэффициент размера печати по горизонтали. Отличие от реального размера может быть достаточно внушительным - на моём принтере на 5 дюймов ошибка составляет 1.2 мм.
Для калибровки нужно поставить галочку "On printer calibration", распечатать тестовый прямоугольник (для генерации поставить галочку напротив поля "Print test pic"), измерить большую сторону штангенциркулем, значение ввести в поле "Data measure", после снять галочку с поля "Print test pic".
Следующим шагом следует вывести информацию о расчетах растра - раздел "Info list" - ставим галочку, в предпросмотре информация.
Здесь нас интересует количество точек (пикселей) принтера в "группе" (в моем случае 4 пикселя LCD матрицы - 2 пикселя LCD на ракурс (сегмент), 2 ракурса (сегмента)) - 19, ширина прозрачного окна - 9, количество точек, которые надо равномерно по горизонтали добавить к растру, чтобы получить необходимый период растра - 63, период вставки "добавочных" точек. То есть в каждой группе с периодом 60 "барьерный" (черный) сегмент будет на одну точку шире.
Для коррекции растра нужно распечатать тест - девять полосок растра с отклонениями от "основного" размера в плюс и в минус. Необходимо учитывать, что от ширины прозрачного окна будет зависеть расстояние до зоны просмотра - чем меньше ширина окна - тем дальше фокальная зона, но снижается разрешающая способность растра и световой поток, но улучшается стереоэффект и сепарация...... Вот такая дилемма. Выясняется опытным путём. Я остановился на ширине окна примерно в 40%-45% от ширины группы барьер+окно. В моём случае - 8 пиксель.
Теоретически период растра должен быть равен ширине одной группы в кодированном изображении (2 ракурса, 2 пикселя LCD на ракурс - ширина 4 пикселя LCD - 19 точек принтера). Но для размеров LCD экрана более расстояния между разноименными фокальными зонами (левый и правый глаз, по статистике около 65 мм) период растра необходимо немного уменьшить - края экрана рассматриваются под углом, отличным от угла в центре экрана. Хотел автоматизировать данное недоразумение в расчете - но так руки и не дошли. Так, что если растр получается шире примерно 65 мм - немного уменьшите размер пикселя LCD в сценарии.
Сначала тест напечатать на бумаге (пленка достаточно дорогая, а итераций может быть несколько) - разрезать и приложив полоски к матрице примерно определить "попадание" в размер.
После "примерки" можно уже переходить на печать тестового листа на плёнке. И да, маленькое замечание - смотрим, чтобы в настройках принтера параметр плотности совпадал с настройками в сценарии.
Извиняюсь за качество фотографий - но принцип понятен - левый глаз должен видеть синее поле, правый - красное. Самая верхняя полоска удовлетворяет данному условию, можно еще уменьшить размер пикселя и распечатать тест с меньшим шагом для более точной настройки (контролировать насколько надо уменьшить размер пикселя можно по инфо листу - параметр delta px for correction, шаг тест листа - ни что иное как увеличение или уменьшение этого параметра).
После подбора периода растра можно печатать "боевой" растр. Например, получилось удачно с тестом размера LCD пикселя 0.2013 мм, есть полоска меняющая цвет на всей длине, с корректировкой -4 пикселя, тогда для печати растра с таким размером надо поставить галочку в разделе "Correction" и в поле "Number of lines..." вписать -4. С плёнкой для печати лучше работать в перчатках - жир от кожи хорошо "отпечатывается" на плёнке.
Устанавливаем уголки, ставим растр на электронную фоторамку в "пирог" (мой - 3мм. стекло - растр - 5 мм. стекло), закрепляем. Настраиваем - в итоге на расстоянии просмотра (у меня 40-50 см) левый глаз должен видеть синее поле, правый - красное.
Извиняюсь за качество фотографий.
Если все получилось - готовим контент для просмотра. Если нет - повторяем корректировку растра.
Стереопар создано множество за полтора столетия существования технологии. Здесь в помощь интернет. Есть некоторые ограничения, в первую очередь избегать мелких деталей, хорошо воспроизводятся "геометрические" объекты, цветы, панорамы без деталировки на переднем крае и тому подобное, во вторых - избегать контрастных изображений (белые цветы на черном фоне, например), это связанно с тем, что печать на плёнке не имеет достаточной плотности, хорошо если барьер процентов 70 задержит света. Можно попробовать "генерацию" ракурсов из одного ракурса через карту глубины - у меня пока ничего путного не получилось (это отдельная песня). В третьих - не все стереопары из интернета качественные с точки зрения стереоэффекта - иногда просто "глазки в кучку", вызывает дискомфорт. Для контроля достаточно простых анаглифических очков, автор использует 3d монитор Zalman ZM-M220W (горизонтальное через строчное расположение круговых поляризаторов).
Подготовка кодированного изображения не отличается от описанного выше алгоритма подготовки тестового изображения - единственное ограничение - при подготовке не изменять пропорции сторон изображения, не обрезать "нулевую" зону стереоизображения (в этой зоне практически нет изменения или смещения изображения от ракурса к ракурсу). Несколько фотографий фоторамки - опять не качественных, растр фотографировать оказалось не так и просто - то, что глазами воспринимается на "хорошо", объектив "видит" по другому....
В результате получилось добиться достаточно хороших результатов - качественные стереопары просматриваются отлично. Но есть и минусы - во первых - всё же виден растр, во вторых - низкая разрешающая способность, в третьих - малая область "стереонаблюдения" (фокальная область), так как используется два ракурса соответственно чередуются области с "правильным" положением и "неправильным" - где левый глаз видит изображение для правого и наоборот. Теоретически, это можно "победить" много ракурсным отображением (с потерей яркости), препятствием является большой размер пикселя имеющейся фоторамки или уменьшением ширины окна (опять с потерей яркости). Несмотря на недостатки, получил удовольствие от создания "девайса", написания сценариев и изучения материалов по теме стереоскопии. Когда нибудь, когда опять настигнет "творческий кризис" в радиоделе, опишу опыты с лентикулярными растрами и LCD матрицей SA080UWV-LF1 разрешением 1920 на 1200 пикселей диагональю 8 дюймов (размер пикселя 89.7мкм). Опыты были остановлены из-за скалера, пока не нашел работающего корректно с данной матрицей. А так идея достаточно интересна - ширина линзы 20 lpi лентикуляного растра 1.27 мм, то есть около 14 пикселей LCD матрицы, соответственно задача состоит "правильно" расположить пиксели под линзой. Результаты при 12 ракурсах вдохновляют, не растр, где головой вертеть нельзя, появляется эффект "заглядывания" за объект. Примерно таким образом, только с матрицей большего разрешения работают автостереоскопические дисплеи Lookingglass (https://lookingglassfactory.com/), описание конструкции (ссылка и ссылка).
Спасибо за потраченное время на прочтения о результатах моего скромного развлечения. С уважением.