В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Часть 1
Павел Варгин
Генеральный директор ПКБ "Рельеф"
Конвергенция компьютерных и телевизионных технологий приводит к созданию объемного телевидения. По сравнению с обычным телевидением объемное будет обладать двумя новыми качествами: трехмерной интерактивностью, позволяющей телезрителю быть сотворцом телевизионной программы, и объемностью изображения, дающей глазам человека возможность работать в естественном режиме, перемещая взор с близких объектов наблюдения на дальние
Новое и близкое
Подлинно объемное телевидение появится лет через 10. Какая страна будет его родиной: Япония, Россия, США? Кто будет определять облик будущего мира?
Последствия рождения объемного телевидения трудно переоценить. Достаточно сказать, что при его создании человечество вплотную подходит к тайне сознания, важнейшим инструментом которого является воображение. Наше воображение воспроизводит объемные зрительные образы. В памяти человека содержится их неисчислимое количество. Слова нашего языка являются кодом доступа к этой памяти. В своем сознании мы можем масштабировать, вращать, перемещать объемные сцены, синтезировать их цепочки. Мы можем
определять жизнь действующих лиц, живущих в наших мыслях, многократно проигрывая и изменяя историю их бытия. При этом воображаемые объекты обычно похожи на реальные, но могут приобретать иногда и совершенно необычные формы. По существу, реальный мир лишь пища для наших фантазий. Объемное телевидение будет обладать всеми возможностями воображения человека и даже превосходить его, поскольку оно, в части информационного содержания, будет плодом усилий всей цивилизации. Воплотив идею объемного телевидения, мы будем лучше понимать, кто мы есть.
К созданию объемного телевидения приводит конвергенция компьютерных и телевизионных технологий. По сравнению с обычным телевидением объемное будет обладать двумя новыми качествами. Это трехмерная интерактивность, позволяющая телезрителю быть сотворцом телевизионной программы, и объемность изображения, позволяющая глазам человека работать в естественном режиме, перемещая взор с близких объектов наблюдения на дальние.
Интерактивность - взаимодействие участников информационного обмена -в приложении к обычному плоскому телевидению (interactive TV, iTV) позволяет телезрителю выбрать, например, телекамеру (ракурс), при просмотре футбольного матча или проголосовать по предложению ведущего телепрограммы. Для реализации интерактивности к телевизору подключается специальная приставка - Set-Top Box, управляемая пультом дистанционного управления. Приставка осуществляет прием/передачу сигналов DVB (Digital Video Broadcasting - цифрового телевидения) и Интернета.
Идея интерактивности в приложении к компьютерной графике принадлежит одному из ее пионеров - Айвену Сазер-ленду. Взаимодействуют человек и компьютер. Человек воздействует на компьютер посредством устройств ввода (клавиатура, мышь, джойстик), а компьютер воздействует на человека с помощью устройств вывода (дисплей, принтер). По мере совершенствования устройств ввода/вывода и самих компьютеров у человека стало появляться ощущение, что он непосредственно воздействует на объекты, изображенные на дисплее. Возникли системы виртуальной реальности, характерной особенностью которых является иллюзия погружения пользователя в трехмерную модельную среду. Тем читателям, кто играл в современные компьютерные игры, легко представить себе их возможности. У игрока не только возникает иллюзия погружения в объем игровой среды, но и появляется власть изменять предложенный ему виртуальный мир. В настоящее время принято говорить о взаимодействии человека с самой виртуальной (модельной)трехмерной средой и ее объектами.
Объемная телекамера
Объемная телевизионная камера - важнейший элемент системы объемного телевидения - представляет собой сочетание обычной цветной телекамеры и специального устройства, формирующего так называемую карту глубины снимаемого объекта. Выходной видеосигнал такой камеры является четы-рехкомпонентным.
С его помощью можно воспроизвести на четырех черно-белых мониторах четыре изображения, как на рис. 1. Первые три изображения соответствуют съемке объекта через красный (R), зеленый (G) и синий (В) светофильтры, а четвертое - дальностное (D), является вариантом карты глубины. Буква D (от английского Distance - дальность или Depth - глубина) в кодировке видеосигнала подчеркивает назначение этой компоненты сигнала. Яркость каждого элемента D-изображения зависит от удаленности соответствующей точки объекта от телекамеры. На рис. 1 чем темнее элемент D-изображения, тем ближе точка объекта.
Из сигналов нескольких объемных телекамер, расставленных подходящим образом вокруг снимаемой сцены, на специальном компьютере синтезируют единую трехмерную модель данной сцены. Информация о модели передается телезрителю, который при просмотре телепередачи может воздействовать на модель, выбирая необходимый ему вид изображения. В этом и состоит идея интерактивности в приложении к объемному телевидению.
Главная сложность в реализации идеи заключается в том, что информация о дальности точек объектов съемки должна передаваться в том же темпе, что и информация об их цвете. При этом устройство определения дальности должно сохранять работоспособность в широком интервале освещенно-стей объекта съемки. Заметим, что, например, в солнечный день освещенность на местности составляет величину порядка 105 люкс.
Методы определения дальности разнообразны. Начнем с того, что некоторые из них предполагают оценку удаленности объектов по их плоским изображениям. Для этого используются данные о размере объектов и скорости их перемещения. Таким способом переводятся обычные кино (видео) фильмы в стереоскопические. Даже когда данные о геометрии и динамике сюжета имеются, синтезированные этими методами стереоскопические изображения отличаются выраженной кулис-ностью, то есть имеют малое число планов дальности.
Другие методы предполагают непосредственное определение трехмерной формы объектов при их съемке. Они различаются по физическим способам определения дальности точек поверхности объекта наблюдения. Это, как правило, либо триангуляционный (базовый) метод, либо метод оценки времени задержки отраженного от объекта импульсного светового сигнала.
Триангуляционный метод разнообразен по реализациям. Турист может вычислить расстояние до дерева на другом берегу реки, определив его азимут с помощью компаса дважды с одной точки и с другой, находящейся в нескольких шагах по течению реки. В вычислениях участвуют значения азимутов и количество шагов (база). Геодезист вместо компаса использует теодолит, а стереоскопист-фотограмметрист определяет параллаксы соответствующих точек на изображениях стереопары. Все трое пользуются пассивным триангуляционным методом. Для объемного телевидения представляет интерес метод с использованием стереопары -двух изображений объекта, снятых с различных точек и разнесенных в пространстве на заданное базовое расстояние. Недостаток метода заключается в трудности поиска так называемых соответствующих точек в изображениях стереопары. Если объект пестрый или камуфлирован (сливается с фоном), или однородно окрашен, человеку трудно судить об удаленности его точек. Аналогичные трудности возникают у автоматических устройств определения дальности по стереопаре - коррелометров. Для некоторых применений можно попытаться построить объемную телекамеру с использованием коррелометра. Такую камеру назовем пассивной - использующей пассивный триангуляционный метод определения дальности.
Активный метод триангуляции предполагает специальную подсветку объекта наблюдения. Можно, например, спроецировать на объект, как на киноэкран, изображение решетки черно-белых полос и снять его цифровым фотоаппаратом из точки, удаленной от проектора на базовое расстояние, а затем ввести полученный снимок в компьютер и по искривлению решетки вычислить трехмерную форму поверхности объекта. Для сложного рельефа поверхности объекта решетку надо сдвигать и изменять ее масштаб (рис. 2), что многократно увеличивает время съемки. На данном рисунке трехмерная форма объекта представляется его полутоновым изображением (внизу справа). Такое представление широко используется, например, в системах автоматизированного проектирования (САПР) в сочетании с возможностью поворота изображения, для чего необходима соответствующая программа - просмотрщик (браузер).
Подсвечивать объект наблюдения можно лучом лазера. В трехмерном
(3D) сканере VI-910 корпорации Konica Minolta (рис. 3) выходной узкий луч лазера поэлементно сканирует поверхность снимаемого объекта. База обеспечивается разнесением по вертикали качающегося зеркала (внизу) и приемного объектива (вверху). Достигается высокая точность измерения координат поверхности объекта: по X +/-0,22 мм, по Y +/-0,16 мм, в плоскости изображения и по дальности Z +/-0,10 мм. Время сканирования составляет 2,5 с для высокого качества съемки в объеме порядка одного кубометра. В результате сканирования компьютер строит SD-графическую (обычно полигональную) модель объекта, которая может быть раскрашена с помощью подходящей текстуры (рис. 4). Основным недостатком сканера, наряду с малым быстродействием, является низкая помехозащищенность.
Допустимая величина внешней паразитной засветки объекта ограничена величиной 500 люкс.
Метод оценки времени задержки отраженного от объекта импульсного светового сигнала используется в импульсной и фазовой оптической локации.
Импульсные лазерные сканеры, применяемые в геодезии и строительстве, менее чувствительны к паразитным засветкам. Дело в том, что можно обеспечить высокую интенсивность света сканера в импульсе, при небольшой средней мощности излучения, и таким образом создать приемнику сканера хорошие условия работы. Такой сканер Callidus 3D, разработанный немецкой компанией Dr. Niebuhr GmbH (рис. 5), производит измерение расстояния до 1750 точек в секунду при частоте импульсов 28 кГц.
При этом точность измерений в диапазоне дальностей 1-32 метра составляет +/-5 мм, что достигается статистическим усреднением результатов многократных (16 раз) измерений удаленности каждой точки. В качестве излучателя используется инфракрасный лазерный диод с длиной волны 905 нм, излучающий инфракрасный свет. Панорамная модель объекта съемки строится за 5 минут и содержит около 1 млн точек. Сканер оснащен компьютером и соответствующим программным обеспечением, которое позволяет встраивать трехмерную модель объекта съемки в подходящую САПР. Здесь относительно высокая помехозащищенность достигается за счет уменьшения скорости построения модели объекта.
Фазовые лазерные сканеры позволяют сочетать предельное для сканеров быстродействие и высокую точность измерений. Примером такого устройства является ЗD-лазерная дальномерная система "TILT" французской компании ONERA, применяемая в мобильных роботах, которая позволяет в реальном времени обнаружить и локализовать препятствие и обеспечивает навигацию транспортного средства. При поле зрения 20 х 20 градусов ее угловое разрешение составляет 256 х 256 точек, дальность действия до 20 м с разрешением по дальности 2 см (при частоте кадров 25 Гц). Для достижения приведенных характеристик используются две частоты модуляции - 67 и 72 МГц. Мощность используемого лазерного диода 80 мВт. Поскольку эта лазерная система, как и активная триангуляционная VI-910, работает в режиме непрерывного облучения объекта, она также чувствительна к внешним засветкам и поэтому малопригодна для использования в объемном телевидении.
В самом принципе поэлементного сканирования поверхности объекта заложено ограничение на быстродействие сканера. Дело в том, что пока свет не дошел до объекта и не вернулся, сканер не может перейти к зондированию следующего элемента. Время сканирования, таким образом, растет пропорционально числу элементов. Элементов очень много, а скорость света ограничена.
Опубликовано: Журнал "Broadcasting. Телевидение и радиовещание" #6, 2007
Посещений: 12210
Автор
| |||
В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
