כל מה שרצית לדעת על תלת מימד… והעזת לשאול – חלק ג´

 ההבדל בין סוגי המשקפיים השונים המשמשים לצפייה בסרטי תלת מימד ועל השיפורים הרבים שנעשו בשנים האחרונות.

7:00
  /  
11.07.2010
  
מאת: מוטי כהן

הקדמה

חלקו השני של המאמר, התמקד בשני סוגי משקפיים לצפייה במקור תלת מימדי. משקפי האדום – ציאן/כחול שיוצרים את הפרדת התמונות בעזרת שימוש בצבעים שונים, והמשקפיים המקטבים שיוצרים את ההפרדה הנחוצה ע"י שימוש בתכונת הקיטוב של האור. משקפיים אלו הם המשקפיים הנפוצים ביותר, אבל ישנם עוד כמה סוגי משקפיים מעניינים ליצירת ראיה עם תחושת עומק והפיכת הדו מימדי לתלת מימדי.

חלק זה של המאמר יתמקד במשקפיים אלו ויחזור למשקפיים המקטבים המשופרים להקרנת סרטי קולנוע בשיטת ה-RealD. 

משקפיי ColorCode 3D

לצורך הסקירה הכללית של משקפי התלת מימד לא נפסח על משקפי ה-ColorCode הצבעוניים. משקפיים אלו דומים ברעיון למשקפי ה-Anaglyph (ציאן-אדום) אבל עם הרכב צבעים שונה שיש עליו פטנט רשום.

 


צבע המסננים כחול וכתום (אמבר).

צבעי המסננים במשקפיים תוכננו כך שיעבדו הכי טוב בהקרנה של שידורי טלוויזיה. אות הצבע בשידור טלוויזיה בנוי ממידע שחור-לבן ברזולוציה גבוהה שעליו מולבש מידע צבע ברזולוציה נמוכה יותר. הצבע הכחול בשידור הטלוויזיה מקבל את תחום הרזולוציה הנמוך ביותר מכל הצבעים. צפייה באמצעות משקפיי ColorCode אמורה להעביר את רוב תחום הצבע דרך המסנן הכתום. דרך המסנן הכחול עובר רק תחום צר של כחול ומידע השחור-לבן. החברה מספקת מצלמות, תוכנה לעיבוד התמונה ואמצעי ראייה כדוגמת המשקפיים שבתמונה. התוכנה המיוחדת המסופקת עם מכלול מערך הצילום מחברת את שתי התמונות המתקבלות מהמצלמה לתמונה אחת בעיבוד צבעוני השונה מהעיבוד של משקפי האדום-ציאן. תיקון הצבע ושינוי הגאמה מחויב כדי לתקן את ההפסד בעוצמת האור שנובע מאי שקיפות המסננים.

השוואה בין תלת מימד שמורכב מצבעי אדום-ציאן לתלת מימד שמורכב מצבעי ColorCode מאפשר לראות את ההבדלים:

התמונה השמאלית היא תוצאת תהליך המרת זוג תמונות תלת מימד צבעוניות לתמונה אחת בשיטת ה -ColorCode. להבדיל מהתמונה הימנית, אפשר להבחין שהצבע הכחול משמש בתמונה השמאלית כצבע משלים אבל חסר את הפרטים העדינים שמשלימים אותה.

לפי טענת מתכנני המשקפיים והציוד הנלווה, תחום הפרדת הצבעים מאפשר שיחזור תמונה צבעונית ביתר דיוק ממשקפיי האדום-ציאן המסורתיות. לטענתם שיטת ה-ColorCode  "סלחנית" יותר אם הרכב הצבעים לא מדויק ובחירת תחום הצבע מאפשר העברת סרטי תלת מימד בערוץ טלוויזיוני גם על מסכים וגם בהקרנה.

עוד בתחום: כל מה שרצית לדעת על תלת מימד… והעזת לשאול – חלק א´
המאמר עוסק בראייה כללית על תלת מימד, צילום מתאים והקדמה תאורתית על הנושא.

משקפיי Pulfrich

משקפיי Pulfrich

התהייה מתחילה כשמסתכלים כיצד נראים המשקפיים:

משקפיי Pulfrich הם משקפיים שצד שמאל שלהם מצויד "במסנן" שקוף, וצד ימין מצויד במסנן אפור. עין שמאל מקבלת עוצמת אור רגילה ועין ימין מקבלת עוצמת אור מוקטנת. ההבדל בעוצמות האור בעין מכניס למשחק תגלית פיזיולוגית שגילה מדען גרמני בשם Pulfrich. התגלית קשורה לזמן עיבוד התמונה במוח ועל שמו מכונים המשקפיים. ראית התלת מימד במשקפיים אלו מבוססת על כך שהמוח יוצר שתי תמונות שונות כשברקע מתרחשת תנועה רוחבית. עקרון הפעולה מחייב תנועה ולכן אין אפשרות לראות במשקפיים אלו תמונות קבועות. השימוש הנרחב ביותר למשקפיים אלו הוא בתוכן טלוויזיוני לסוג מסוים של 3D.

עקרון הפעולה של המשקפיים די מעניין ומבוסס על זמן עיבוד התמונה במוח. שתי העיניים מקבלות תמונה זהה אבל במקרה הזה, המוח מתרגם את התוצאה כאילו נקלטו שתי תמונות שונות.

למה?
תהליך הראייה מבוסס על כך שהחיישנים של העין קולטים את התמונה ומעבירים אותה למוח. המוח מתרגם את אוסף האותות והופך אותם לתמונה. ככל שהאובייקט מואר יותר, לוקח למוח פחות זמן לעבד את המידע לכלל תמונה ממשית. ככל שהאובייקט חשוך יותר, לוקח למוח יותר זמן להבין את מה שהעין רואה. על בסיס התופעה הנ"ל מתקיימת ראית התלת מימד במשקפיים אלו.

נחזור ללוגו האתר ונתבונן ברכבת אותיות t שמתרוצצות על המסך בתנועה קבועה מצד שמאל לצד ימין:

P

כשמרכיבים את משקפיי ה Pulfrich, אחת העיניים מקבלת תאורה חלשה וזמן עיבוד התמונה למוח מתארך. כלומר, העין עם התאורה החלשה רואה את התמונה בהשהיה ותמיד נמצאת בפיגור ממה שבאמת מוקרן. עד שהעין החלשה מבינה מה קורה, האותיות t מספיקות לזוז ימינה מרחק קטן. העין השנייה, זאת שמקבלת את כל עוצמת התאורה, מתרגמת את התמונה במהירות רבה יותר. עין אחת מעבירה תמונה עכשווית, בזמן אמת, ועין שנייה מעבירה תמונה מהעבר. המוח מחבר לתמונה אחת שתי תמונות שנקלטו בזמנים שונים.

בחלקו הראשון של המאמר הוסבר התנאי לראיה תלת ממדית. העיניים רחוקות זו מזו ולכן כל עין רואה תמונה שונה. עצמים רחוקים נקלטים במיקום שווה בשתי העיניים ועצמים קרובים נקלטים במיקום שונה. כדי להרגיש שהדמות הנראית קרובה, היא צריכה להיקלט בכל עין במיקום שונה. משקפיי Pulfrich מבצעים סימולציה של מיקום עצמים שונה בכל עין:

כשמסתכלים על תמונה קבועה אין משמעות לזמן העיבוד של המוח. פרט לזה שעין אחת מקבלת עצמת אור נמוכה במקצת, התמונה נראית רגילה ובוודאי שלא עם תחושת עומק כלשהי. הדבר שונה לחלוטין כששתי העיניים מתבוננות במשהו זז או משהו שנע מצד לצד.

שתי העיניים רואות את העצמים היציבים (כדוגמת כפתור הלוגו) תמיד באותו מקום, אבל החפצים שבתנועה מתורגמים אחרת והאות t נקלטת בכל עין במקום שונה. במצב הזה נרקמת במוח תחושת התלת מימד והחלק הנע מומחש כקרוב יותר מהחלק היציב. תמונה יציבה מאבדת את תחושת הממדיות ולכן התלת מימד במשקפיים אלו הוא לא אמיתי. החלקים שנראים קרובים הם לא אלו שבאמת קרובים פיזית למצלמה. החלקים שנראים קרובים הם החלקים שנעים מהר יותר.

מי שרוצה לבצע ניסוי מוזמן לקחת משקפי שמש להתרחק קמעה ממסך המחשב ולהתבונן באנימציה של הלוגו כשעין ימין בלבד מתבוננת דרך אחת מעדשות המשקפיים. אחרי כמה שניות האותיות הנעות מקבלות תחושה של בולטות מהמסך ורחוקות מעיגול הלוגו היציב. עומק התלת מימד תלוי במהירות התנועה של אות ה t על המסך. בשיטה הנ"ל משתמשים כגימיק טלוויזיוני להמחשת תלת מימד בשידורי טלוויזיה רגילים. מניחים חפצים בקדמת האולפן ומניעים את המצלמה מצד ימין לצד שמאל בתנועה כמעט מעגלית למשך כל זמן הצילום.
כשיש תנועה נוצר דימוי של תלת מימד. ככל שהתנועה מהירה יותר העצמים נראים קרוב יותר. למעשה, אפשר להתבונן בצורה זו (כשרק על עין אחת מורכב משקף שמש) בכל תכנית טלוויזיה רגילה. הטובות ביותר הן תכניות ספורט שיש בהן תנועה מרובה כמו כדורגל או כדורסל. אם המשקף הכהה נמצא מול העין הנכונה, רואים את השחקנים עם עומק מעניין שקשור לכיוון ומהירות התנועה שלהם.

עוד בתחום: כל מה שרצית לדעת על תלת מימד… והעזת לשאול – חלק ב´
המאמר עוסק בשיטות הפרדת תמונות על ידי צבע לקבלת תלת מימד, השחזור והפרדה על ידי קיטוב.
משקפיי ChromaDepth

משקפיי ChromaDepth

אם משקפיי Pulfrich בהקשר של תלת מימד נראים תמוהים, ההתבוננות במבנה משקפי ChromaDepth לתלת מימד עוד יותר תמוהה.
המשקפיים הם עם עדשות שקופות לחלוטין:

גם משקפיים אלו הם משקפיים פשוטים ומצוידים בשני מסנני פלסטיק שקופים.
למרות המסננים השקופים עיקרון הפעולה שלהם הוא הצבע והן נועדו בעיקר להמחשת אובייקטים במצגות גראפיות.
בהתבוננות דרך משקפיי ה-ChromaDepth בתמונה הבאה, הכתב אדום יראה בולט קדימה משמעותית יחסית לרקע הכחול:


תחושה ברורה של תלת מימד.

הרעיון של תהליך התלת מימד עם משקפיים אלו הינו שצבעים "קרים" בתחום הצבע הכחול נראים כמרוחקים וצבעים "חמים" בתחום האדום נראים קרובים. מה שקובע הוא הצבע. פרחים אדומים נראים בולטים מהמסך שמיים נתפסים כרקע אחורי. צבע חום-צהוב נותן תחושה של מיקום ביניים בין הכחול לאדום.

השיטה מעולה להמחשה גראפית תלת ממדית בהקרנה או בהתבוננות בדפי נייר בייחוד כשהשרטוט הגראפי מסובך. המתכנן "צובע" את העצמים הקרובים באדום, העצמים הרחוקים ביותר בצהוב, לאחר מכן בירוק והרחוקים ביותר בכחול. ממש לפי התפלגות הצבעים שיש בקשת בענן ביום גשום.

מדוע זה קורה ואיך זה קשור למשקפיים שקופים?
המסנן המורכב במשקפיים הוא מסנן שקוף שבנוי מאוסף גדול וצפוף של מנסרות (פריזמות). אור שעובר דרך מנסרה משנה את זווית השבירה שלו לפי אורך הגל שלו. במשקפי ChromaDepth אור אדום יוצא מהמשקפיים בזווית אחרת מהאור הכחול בדיוק כמו בכל מנסרה:

המנסרות מסיטות את הצבע לפי  אורך הגל שלו. ככל שהצבע יורד בתדר, המנסרות במשקפיים גורמות לו לסטייה גדולה יותר. מאחר והמנסרות הפוכות בכיוון, עין שמאל רואה את החלקים האדומים כאילו הם נמצאים יותר שמאלה ועין ימין רואה את החלקים האדומים כאילו הם נמצאים יותר ימינה.
המוח מקבל שתי תמונות לא זהות. הרעיון הוא שהצבע הכחול בשתי התמונות נמצא במיקום זהה אבל הצבע האדום לא. למוח זה די ברור: דמות שלא חופפת נמצאת יותר קרוב לעין, וכך מתקבלת אשליית תלת מימד מושלמת.

כמו במשקפי ה-Pulfrich, גם כאן התלת מימד נבנה בצורה סינטטית. כל צבע חייב להיות בתדר בודד ואסור לצבוע צורות בצבע שהוא הרכב של מספר צבעים כדוגמת הלבן. צפייה במשקפיים אלו במעברי צבע לבן כדוגמת כתב, תניב קשת צבעים מטושטשת בכל פעם שהלבן יעבור לשחור ובחזרה. אם שומרים על כללים בסיסיים אלו, האשליה כל כך טובה שהיא מרשימה יותר ממנגנון התלת מימד שבנוי על עיקרון המשקפיים הדו צבעים כדוגמת משקפי האדום-ציאן שהוסברו בחלק השני של המאמר.

RealD

RealD

בחלקו השני של המאמר מתוארת שיטת הקיטוב כשיטה הטובה ביותר להקרנת שקופיות וסרטי קולנוע בתלת מימד. למרות שהתוצאה הסופית היא באיכות מעולה, עדיין השיטה סובלת מחסרונות לא מעטים, כאלה שגרמו לבתי הקולנוע להמתין ולא לעבור להקרנה תלת ממדית.

החסרונות הבולטים של ההקרנה בשיטת הקיטוב היו:

  1. איכות התמונה תלויה בזוית המשקפיים. הטיית הראש משנה את זווית הקיטוב וגורמת לזליגת תמונה מעין אחת לשנייה.
  2. הצורך בשימוש בשני מקרני קולנוע בו זמנית.
  3. הצורך במסך מיוחד.

שיטת ה-RealD הצליחה להתגבר על החיסרון הראשון והשני ובכך פרצה דרך להקרנה יותר מסיבית של סרטי תלת מימד.

מאחר ומעבר או חסימה של אור מקוטב תלוי בזווית מסנן הקיטוב, אפשר לומר שאיכות מעבר האור מותנה בזווית המשקפיים. ביחידת ההקרנה אפשר לקבע את המסננים בצורה מדויקת, אבל המשקפיים המורכבים על ראש האדם לא ממש מקובעים בצורה קשיחה לכל זמן הצפייה בסרט. ראש האדם נע וסטיות זווית לא אידיאלית בין האור המקוטב שמוקרן על המסך לבין המסננים שעל המשקפיים גורמים להחלשת התמונה הרצויה וגם לדליפה של התמונה הלא רצויה מהעין השנייה (Ghost). כדי להתגבר על התופעה הפכו את הקיטוב מקיטוב ישיר (אנכי או אופקי) לקיטוב מעגלי. בקיטוב רגיל הגל המקוטב יוצא מהמסנן ומתקדם כשהוא עולה ויורד. בקיטוב מעגלי הגל המקוטב יוצא מהמסנן ומתקדם כשהוא מסתובב. כשהגל מסתובב, זווית המסנן לא משפיעה על מעבר האור ולכן הטיית המשקפיים לא מקלקלת את איכות הפרדת התמונה של עין ימין ושל עין שמאל.

משקפי ה-RealD נראים דומים למשקפיים מקטבים אחרים אבל הן יקרים יותר, עשויים מפלסטיק קשיח עם עדשות עבות במקצת ועם סמל ה-RealD שחרוט עליהם בגאון:

איך מיצרים גל מקוטב מעגלי?
הרעיון הוא להשתמש בגל מקוטב רגיל ולהפוך אותו לגל עם תנועה סיבובית. לשם כך משתמשים בשני מסננים. המסנן הראשון הופך את האור הרגיל לאור מקוטב כמו שהוסבר בחלק השני של המאמר. המסנן השני גורם לאור המקוטב לנוע בעיגול. בפועל, שני המסננים מחוברים ליחידה אחת ונראים כמסנן אחד:

RealD

אור מהמקרן עובר דרך מסנן מקטב רגיל (הצבע הסגול באנימציה) שהופך אור רגיל לאור מקוטב ישיר. האור המקוטב יוצא בזווית של 45 מעלות ונכנס למסנן שני (הצבע החום-אדום באנימציה) שמשנה את הקיטוב לקיטוב מעגלי. אם מחברים את שני המסננים המקטבים ליחידה אחת, אפשר לומר שאור לא מקוטב שנכנס למסנן החדש יוצא כאור מקוטב מעגלי.

אפשר לראות זאת על ידי התבוננות בהטלת הצל של הגל על המשטחים. כשהוא נמצא בזווית של 45 מעלות, הוא מורכב משני גלים שווים, אחד בציר האנכי והשני בציר האופקי. אפשר להבחין בברור שגם הצללים שנוצרו ע"י הגל היוצא בקיטוב מעגלי נראים זהים.

אז מה ההבדל ביניהם?
אם הרכב הצירים של אות הכניסה ואות היציאה שווים, מה תפקידו של המסנן? ולמה למרות כל גל היציאה באמת שונה מגל הכניסה?

אם נקפיא את תנועת הגל ונתבונן בגלים במצב אופקי, נבחין שאות היציאה לא ממש תואם את אות הכניסה.
תפקידו של המסנן הוא לעכב את הגל רק באחד הצירים:

גבישים בהרכב המסנן גורמים להשהיה של הגל רק בציר האנכי. הגל על הציר האנכי יוצא ברבע אורך גל מאוחר יותר מהגל שנכנס. במקרה הזה התוצאה של חיבור הגל האנכי עם הגל האופקי מניב גל מעגלי. גל מעגלי שמסתובב בכיוון השעון. אם נעכב במסנן את הגל רק בציר האופקי, או לחילופין נכניס למסנן גל בזווית של 135 מעלות (במקום 45 מעלות), נקבל ביציאה מהמסנן גל מעגלי שמסתובב הפוך, נגד כיוון השעון. 

בשיטת ה-RealD על מסך הקולנוע מוקרנות שתי תמונות מקוטבות בקיטוב מעגלי. אחת בקיטוב סיבובי עם כיוון השעון והשנייה בקיטוב סיבובי נגד כיוון השעון.

בהדמיה הבאה, שתי תמונות עוברות דרך מסנן מקטב ישר ולאחריו מקטב מעגלי. אחד מהמסננים המקטבים מוציא אות מקוטב ב-45 מעלות והשני ב-135 מעלות. התוצאה, שני גלים מקוטבים מעגלית הפוכים בכיוון הסיבוב:

RealD twin

המשקפיים מבצעים פעולה הפוכה. שתי תמונות מקוטבות מעגלית מגיעות ממסך ההקרנה למשקפיים. המסנן במשקפיים נראה כמסנן אחד אבל כאמור הוא בנוי משני מסננים עוקבים. האור פוגע במסנן הראשון שהופך את הקיטוב המעגלי בחזרה לקיטוב ישר. המסנן הבא מסנן רק את הקיטוב המתאים לו כמו שהוסבר בחלקו השני של המאמר.

התוצאה: על המסך מוקרנות שתי תמונות וכל עין מקבלת רק את התמונה המיועדת לה.

כל התהליך הזה של שימוש בקיטוב מעגלי נועד לפתור את בעיית ה-Ghost בעת הטיית הראש של הצופה. בקיטוב מעגלי, סיבוב המסנן לא פוגע במעבר הגל ולכן הטיית הראש בזמן צפייה בסרט לא פוגעת באיכות הפרדת התמונות בין עין ימין לעין שמאל. בעיית הטיית הראש היא לא הדבר היחיד ששיטת  ה-RealD פותרת. ה-RealD נועד גם להקל על הפיכת בית הקולנוע הרגיל לבית קולנוע להקרנת סרטי תלת מימד. באנימציה הקודמת נראים שני מקרנים שמקרינים את האות דרך מערכת כפולה של מסננים מה שמרמז על הצורך בשני מקרנים שפועלים בו זמנית. זה מסובך ויקר. שיטת ה-RealD פותרת בעיה זו ע"י שימוש במסנן אחד משתנה.

הרעיון הוא להשתמש במקרן דיגיטאלי שממילא קיים כבר בהרבה בתי קולנוע. כל מה שצריך לעשות הוא להציב במסלול מעבר האור מסנן דינאמי שמתואם עם המקרן ומשנה את הקיטוב שלו בכל החלפת תמונה. אם נדייק, הוא משנה את הקיטוב 6 פעמים בכל תמונה (Frame):

מקרן רגיל הופך למקרן תלת מימד בעזרת מסנן קדמי פרי פיתוח של חברת RealD. תדר הקרנת התמונה הוא הקצב הרגיל של מקרני סרט (Film), כלומר 24 תמונות בשנייה כאשר כל תמונה תלת ממדית מורכבת למעשה משתי תמונות מקבילות.
תהליך ההקרנה הוא כזה:

  1. זוג התמונות שנועדו להקרנה (לעין ימין ולעין שמאל) עובר לזיכרון המקרן.
  2. מוקרנת תמונה של עין ימין, לאחר מכן מוחלפת התמונה לתמונה של עין שמאל, שוב ימין, שמאל, ימין, שמאל.
  3. זוג התמונות הבא עובר לזיכרון והתהליך חוזר על עצמו.

בכל פעם שיש תחלופה בין תמונה של עין ימין לתמונה של עין שמאל, המסך המקטב משנה את כיוון הקיטוב. בדרך הזאת כל התמונות של עין ימין מוקרנות בקיטוב מעגלי בכיוון אחד וכל התמונות של עין שמאל מוקרנות בקיטוב מעגלי בכיוון ההפוך. כל זוג תמונות מוקרן לזמן של כ-40 מילי שניות (קצב הקרנה של 24 תמונות בשנייה). במשך זמן זה, הקיטוב משנה את כיוונו 6 פעמים, 3 לכל תמונה. תדר ההבהוב על המסך מגיע ל-144 הבהובים בשנייה (24 מוכפל ב 6) והוא מספיק גבוה כדי שהמוח לא יבחין בהבהוב.

כל המנגנון מאפשר הקרנה בעזרת מקרן בודד (דיגיטאלי) ובתוספת קטנה של מסנן מקטב משתנה. שינוי כיוון הקיטוב נעשה בעזרת אות חשמלי שמגיע מהמקרן למסנן. בתהליך ה-RealD השימוש העיקרי הוא במקרני DLP כי האור שיוצא ממקרנים אלו, להבדיל ממקרני LCD, הוא אור לא מקוטב.

בשיטת ה-IMAX מוקרנות שתי תמונות בו זמנית על המסך.
בשיטת ה-RealD מוקרנת על המסך בזמן נתון רק תמונה אחת. כל עין רואה רק חצי מעצמת האור וזה מחייב את המקרנים להגביר את העצמה כדי לפצות על ההבהוב. חברת RealD עובדת בזמנים אלו במקביל עם יצרני הטלוויזיות להכנסת הטכנולוגיה שלהם להקרנה גם בצפייה ביתית.

שיטת ה-RealD הצליחה לפתור 2 מתוך 3 הנקודות הבעייתיות להפיכת בית קולנוע רגיל לכזה המסוגל להקרין בתלת מימד. ניפתר נושא הזזת הראש ונפתר הצורך בהתקנה מסורבלת של שני מקרנים ייחודיים. השיטה לא פתרה את בעיית המסך. מכיוון ששיטת הפרדת התמונות מבוססת על הקרנה של אור מקוטב המחייב הקרנה על מסך שלא מבטל קיטוב, בעלי אולמות הקולנוע המעוניינים להשתמש בשיטת ה-RealD יאלצו להחליף את מסך ההקרנה למסך עם ציפוי מתכתי (Silver) יקר

חברת Dolby רשמה פטנט על שיטה להקרנה בתלת מימד על המסך הרגיל של בתי הקולנוע ובכך פתרה גם את בעיית החלפת המסך. כל זה ועוד בחלק הבא של סדרת המאמרים.

לשרשור הדיון ותגובות למאמר: כל מה שרצית לדעת על תלת מימד…והעזת לשאול – חלק ג´.


7:00
  /  
11.7.2010
  
מאת: מוטי כהן

1