О черном бархате, интерполяции и пиксельной мозаике

Приятно быть пионером,  первооткрывателем. Журналисты меня поймут и согласятся, что оповещать мир о новом, невероятно интересном и глобально перспективном открытии не менее приятно. И сегодня у меня именно такая миссия – рассказать об инновации, способной перевернуть все наши устоявшиеся мнения о средствах медиа изображения,  то есть - об экранах.  

Количество экранов – самых разных, больших и маленьких -  в жизни каждого из нас неизменно растёт.  Киносеанс, телепередача, презентация, работа за компьютером, даже мобильный телефон – все это может функционировать только при наличии экрана.  Отличаются экраны один от другого размерами и своим принципиальным устройством, однако все современные средства отображения условно можно разделить на два лагеря: одни излучают световое изображение (как кинескоп, плазменный телевизор или LCD монитор), другие отражают световую картинку от проектора (проекционные экраны в кинозалах, на презентациях, в домах и т.д.). Какие экраны лучше? Вопрос многих поставит в тупик. Как можно сравнивать!  Изображение на экране телевизора или компьютерного монитора четкое и отлично различимо даже в ярко освещенном помещении. Экраны же проекционные могут работать в условиях,  как минимум,  приглушенного света и при этом картинка недостаточно контрастна, особенно на темных планах, а достойной передачи черного можно добиться только в условиях полного затемнения. При этих недостатках именно проекционные экраны, имея небольшую себестоимость, могут быть развернуты на всю стену помещения, как, скажем, в кинозалах. К тому же, проекционные экраны имеют одно неоспоримое преимущество, о котором пока мало где упоминают. От них не устают глаза,  не портится зрение,  как от телеэкранов  и мониторов. А поскольку работа с компьютером – сегодня это удел многих  миллионов людей на  планете, то ясно,  что это весьма важное преимущество.

Возможно ли объединение всех преимуществ технологий - излучающих и отражающих экранов?

А теперь сообщаю,  что группа российских учёных сделала открытие – изобрела принципиально новый проекционный экран, буквально по всем параметрам превосходящий не только достоинства  существующих проекционных, но и экранов ЖК, кинескопных  и всех прочих.

Рассказать об этом подробнее мы предложили главному разработчику и директору компании «3D Технологии»  Денису Кореневу.

- Денис, с виду Ваш знаменитый экран отличается от телевизионного  только размером - он очень большой. Толщины он примерно такой же,  как и экран плоского телевизора, но при этом для работы требует проектора. Когда смотришь на изображение - впечатление такое, что он как будто  светится. Кажется, что это  не проекционный экран,  а просто огромный телевизор.

- И, тем не менее, это не телевизор. Но, отчасти, Вы правы - конструкция Интерполяционного экрана представляет собой сложную многослойную линзу, включающую слои с люминофорами. Экран, действительно, светится мягким отражающим светом,  при этом, изображение формируется не на поверхности экрана,  а внутри  линзы - поэтому он, как Вы и заметили, имеет определённую толщину. Вообще,  если быть более корректными, то наши экраны было бы правильней  называть новым средством отображения, позиционирующимся между проекционными экранами прямой проекции и светоизлучающими экранами. Правильная работа Интерполяционного экрана возможна только в паре с оптически- и «софтово»- согласованным проектором.

- Поэтому картинка такая реалистичная?!

- Да, именно благодаря конструкции Интерполяционной панели  осуществляется идеальная цветопередача, достигается высокая контрастность и четкость реалистичного  объемного изображения…

(При этих словах Денис положил на экран, транслирующий на тот момент  видеофильм о природе, белый лист бумаги.  И огромный яркий пейзаж  вдруг оказался с «дырой формата А4», в которой цвета оказались словно разведёнными водой, а  изображение распалось на мозаичные квадратики и стало похожим на вышивку крестиком).

- Поразительно! Как вам удалось это!?

- Чтобы ответить на Ваш вопрос, я начну с истории нашего открытия. Вначале перед нами  стояла только одна задача – создать проекционный экран, способный отобразить черный цвет без затемнения помещения…

- А  что такое - черный цвет?  Насколько я помню - художники считают, что тон тени на черном бархате – это и есть настоящий черный цвет?

- Да, пожалуй, именно «погоня за чёрным бархатом» и привела нас (совершенно неожиданно,  как это и бывает с крупными открытиями) к изобретению экрана,  на котором изображение при многократном увеличении не распадается на пиксельную мозаику, а остается таким же естественным и живым,  каким его видит наш человеческий глаз в реальной жизни.

Как я уже говорил, наш экран формирует изображение не на поверхности, а внутри линзы. То есть, изображение, которое мы видим - уже объемное, и имеет глубину. Это отображение более сложное,  нежели просто  отражение прямой проекции,  какое мы только что наблюдали на бумажном листе.

…и всё же к истории: мы давно понимали, что проекционная система (экран-проектор) является самой прогрессивной технологией среди средств отображения.  И если говорить о качестве, возможностях и дешевизне самих проекторов, они значительно опережают все, что сегодня существует. DLP-проекторы обладают очень быстрым формированием цвета и кадра – соответственно, сохраняют высокую четкость на движущемся изображении  и способны идеально формировать 3D-картинку. Недостаток всех проекционных систем – это низкая контрастность и неспособность отображать черный цвет в условиях освещённой комнаты. Происходит это, прежде всего, потому что экранное полотно, кроме луча проектора, отражает и внешний свет, и паразитную засветку самого проектора, и переотражённые интерьером лучи. Поэтому отделку стен и потолка кинозалов выполняют в темных тонах, а дороговизна проектора определяется его оптикой и устройством, необходимым именно для того, чтобы была максимальная контрастность и минимальная засветка.

Так вот, в своем стремлении к идеальному изображению еще 10 лет назад мы начали работать над черным экраном, на который под определенным углом падает свет и формирует яркую картинку, а паразитная засветка блокируется. Спустя несколько лет кропотливой работы мы добились определенных успехов и наткнулись на новое препятствие: распределив ряд оптических преобразований в многослойной  структуре экрана, мы получили высокую контрастность, но ухудшение разборчивости и четкости изображения. Разбираясь с этой проблемой, мы, к удивлению для себя, обнаружили новые перспективы, которые никто ранее не использовал – изменять структуру картинки непосредственно в экране. Дальнейшие исследования и работа с люминофорами позволили нам интерполировать пиксельное изображение, тем самым повышая его разрешение и разборчивость…

- Что значит  - интерполировать?

- Интерполяция – это вычисление промежуточных значений. Например, вот здесь у вас есть точка «a», а здесь - точка «b». В точке «a» - одно значение функции, а в точке «b» - другое. Можно вычислить промежуточные значения, если известен порядок кривой, то есть порядок функции и координаты этих двух точек. Оптическая интерполяция - это введенный нами термин, обозначающий новый принцип формирования изображения. На Интерполяционном экране картинка формируется из пиксельных лучей одновременно с оптическими преобразованиями, уничтожающими пиксельную решетку и восстанавливающими природную целостность отображаемых объектов.

Все современные цифровые изображения – это пиксельная дискретная мозаика с ограниченным числом точек - пикселей. Для того, чтобы узнавать отображаемые объекты на мозаичной структуре, нам приходится удаляться от экрана, уменьшать его размер или увеличивать разрешение, таким образом - чтобы угловой размер пикселя для нашего зрения составлял меньше 1 минуты (1/60°). На нашем экране мозаики почти не видно, поэтому мы с Вами стоим рядом с большим экраном и так комфортно, как будто в распахнутое окно  наблюдаем за происходящими событиями.

(На экране отображался прекрасный вид Венеции, темная вода в каналах выглядела абсолютно живой, казалось, что можно опустить в воду руку и намочить её.)

 - Интерполяционная технология отображения позволяет повысить разрешение цифровой картинки и идеально отобразить всю воспринимаемую цветовую палитру - это и дает нам с Вами возможность буквально окунуться в происходящие события, приблизившись к экрану.  Мы сейчас находимся на расстоянии вытянутой руки около 3-х метрового экрана,  3D изображение занимает всю зону бинокулярного зрения – и реалистичная картинка полностью окружает нас!

(Денис движением руки в воздухе включил следующий фрагмент, и мы оказались в подводном царстве, экзотические рыбки плавали вокруг нас…)

- Объемные образы выходят из экрана и окружают, а поверхность экрана просто исчезла, и какая глубина!       

- Самое важное достоинство наших систем в том, что мы значительно поднимаем качество восприятия картинки без увеличения физического разрешения матрицы проектора. Возьмём,  к примеру, изображение алого заката на темно-синем небе. Вот этот градиентный переход – и была самая сложная задача в средствах отображения. Выработаны стандарты очень высокого качества в отношении глубины цвета каждого пикселя. Truecolor – это по 8 бит на каждый цвет RGB, то есть, всего 24 бита. Вы представляете себе, какое большое число! При этом мы все равно видим ступенчатый цветовой переход, потому что есть физическое разрешение матрицы. И какой бы бесконечно качественной ни была глубина цвета - картинка изначально сделана мозаикой. Вы скажете - размер пикселя можно уменьшать, тем самым поднимая разрешение. Но все равно идеального изображения достичь невозможно. То есть, если с близкого расстояния смотреть на любое цифровое изображение, все равно будет видна мозаичная структура.

А на нашем экране, как вы видите, её  нет!

- Выглядит фантастично. Неужели это возможно?

 - Да,  возможно. Благодаря ряду оптических преобразований нам удается сгладить часть изображения - где нет ярких контрастных переходов и границ объектов, и в то же время сохранить и улучшить - переходы, ответственные за границы  (абрис) объектов. Плавные градиентные переходы отображаются с практически бесконечным разрешением. Тонкие объекты и границы отображаются в 4 раза тоньше размеров пикселя, повышается реалистичность и детальность.

Многие у нас спрашивают: «Как это возможно? Если физическое разрешение было,  например, 1280х720, то как вы можете изобразить элемент толщиной меньше пикселя?»  Ответ прост - малые элементы и объекты изображения восстанавливаются за счет информации, которая содержится в соседних пикселях. Как бы мы этого ни желали - мир не делится на клеточки - к примеру травинку, снимаемую на камеру (в отличие от компьютерных шрифтов) не заставишь вписаться в границы пиксельной решетки,  какие-то части ее все равно зацепят соседние пиксели, а при движении ветра возникнет пиксельная дрожь – мерцание. Со всем этим справляется интерполяция. Доскональность (разрешение) изображения на Интерполяционном экране* по сравнению с традиционным пиксельным монитором – может быть значительно поднята: в отношении контуров в 16 раз, а в отношении реалистичности передачи объема и целостности поверхности (градиентные тени и отражения) в сотни раз.

* Картинка в Интерполяционных экранах формируется не на поверхностном отражающем слое экрана, а в многослойной линзовой структуре, каждый из слоев которой ответственен за определенный ряд оптических преобразований. Цифровой сигнал, подаваемый на пиксельную матрицу проектора, подвергается предварительной обработке и преобразованию, которое производится с учётом технических характеристик используемого проектора и алгоритма оптических свойств панели Интерполяционного экрана.  В результате на экране происходит некое интеллектуальное преобразование картинки без ухудшения, а даже с увеличением разрешения на градиентных переходах и тонких длинных объектах и контурах.

- Допустим, у нас есть спелое наливное яблоко. Что нужно сделать,  чтобы реалистично его отобразить? Прежде всего, обозначить контур - это самое важное, именно по контуру  мы идентифицируем объекты. Какой он бывает на цифровой фотографии? Всем известно, что контур (это отчетливо видно при увеличении) образуется зубчатым, ступенчатым отклонением на три, четыре или шесть пикселей в сторону. Абрис значительно утолщается – изображение яблока приобретает «искусственность». Теперь задача отобразить поверхность того же яблока - в реальности поверхность гладкая и цельная с плавным градиентным переходом теней и цвета, а на пиксельном изображении  получился «кубик Рубика», состоящий из разноцветных клеточек. Мы потеряли целостность, объемность и вкусность нашего яблочка! В беспиксельном изображении на Интерполяционном экране – убедитесь сами - яблоко по-прежнему вкусное! Мы справились?...

- Да, действительно - его впрямь хочется съесть!

Мы все это время смотрим 3D изображение - это не вредно?

- С развитием 3D кинематографа, многие столкнулись с артефактами некомфортного восприятия  объемного изображения, кинозрители жалуются на раздражение, усталость   и даже головную боль, вызываемые 3D-изображением. Почему это происходит? Неужели дело только в некачественном контенте и желании владельцев кинотеатров сэкономить на оборудовании? На наш взгляд, ряд причин кроется именно в пиксельной природе изображения.

Стереоизображение («3D» - это просто ребрендинг старого названия) основано на различии в двух картинках для правого и левого глаза. Мы каждый предмет видим с разных сторон, под разным углом. Причем, разборчивость этой разницы достаточно большая, человеческое зрение различает объекты на дистанции 150м! Tо есть, бинокулярное разрешение у нас гораздо выше одной угловой минуты, причем по нашему мнению - на порядок.  Мозг вычленяет разницу между изображениями правого и левого глаз – и натыкается на дискретность, «зубчатость» образов - накапливаются системные ошибки в идентификации - приходится исправлять,  а это очень большая нагрузка  на зрительно-мозговую систему человека. От этого и раздражение, и усталость.  На Интерполяционном экране, как Вы понимаете, этой проблемы нет, и, соответственно, 3D легко воспринимается. Далее - размытые несфокусированные планы, которые кинематографисты используют в художественных целях, на мозаичной структуре воспринимаются сканирующей системой глаза как объекты с границей края. Образно можно сказать, что глаз все время спотыкается о пиксельную решётку, надеясь найти там объект. Мы пытаемся сфокусироваться – настроить резкость, а не получается: объект расфокусирован по замыслу режиссера. Это тоже вызывает дискомфорт. В интерполяционных системах отображения такой проблемы нет - размытые планы и аморфные структуры (дым, вода, и пр.) воспринимаются очень естественно. Сами можете убедиться - на наших системах Вы не испытываете никакого дискомфорта и раздражения от 3D, даже если вы смотрите экран с близкого расстояния.**

**Решение проблем высококачественного воспроизведения 3D контента на Интерполяционных экранах:

 - Высокая контрастность позволяет качественно воспроизводить в стерео режиме как светлые, так и темные сцены - исчезает “проблема яркости” и связанное с этим утомление зрения.

- Просмотр в широком угле, превышающем зону бинокулярного зрения, полностью снимает нагрузку на мозг, вызываемую парадоксом частичного разрушения смещенных в параллаксе образов, находящихся на краях экрана.

- Отсутствие дискретного минимума смещения параллакса позволяет передавать бесконечно удаляющуюся перспективу, отпадает проблема “плоских задних планов”.

- Отсутствие пиксельной решетки на “размытых” планах не дает зрению возможности пытаться сфокусироваться на второстепенных по замыслу режиссёра и оператора планах. Этим снижается раздражение и нагрузка на мозг зрителя, просмотр 3D не утомляет, а в палитре киноискусства сохраняется важнейший для художника инструмент выражения.

- Совершенно не чувствую дискомфорта…  

- Возникает вопрос: если такое высокое разрешение у глаза, то какое же необходимо разрешение для пиксельного изображения, чтобы человек не отличал отображение предмета на экране от реального? Если смотреть на изображение в широком угле зрения 120° - разрешение экрана должно быть не менее 30К - это 600 Мега пикселей! Наш вывод -  системы пиксельного отображения не имеют перспективы в будущем!

- А какое сегодня самое распространенное разрешение в киноиндустрии?

– На сегодняшний момент распространены форматы full HD (1920х1080) и 2K (2048 x 1080), в кино сейчас вводится новый формат 4К (4096 x 2160). Самый высочайший стандарт, существующий в мире, и который планируют внедрить в течение 20лет – это Super Hi Vision 8К.  Получается, что киноиндустрия уже сегодня запрограммировала себя на отставание, потому как, на самом деле, 30К  может быть и не предел. Пока  будет существовать мозаика, всегда будет разрыв функций, а именно на разрыв функций адаптировано сканирование нашего глаза (поиск краёв). И пока будет существовать мозаика, всегда будет «ступенька», и всегда будет искусственный абрис... Развитие мозаичной системы изображения – это путь «в никуда». Мы открыли новый путь,  несопоставимо более прогрессивный по всем параметрам: качества изображения, легкости восприятия, удобства и бережного отношения к нашему зрению.

- А по ценовым критериям? Ваши экраны – это дорогое удовольствие?

- Совсем нет, не дорогое. А при налаженном массовом производстве цена вот такого,  например, экрана, соответствующего размеру стены небольшой комнаты, будет составлять не более 500 долларов.

- Действительно, очень даже не дорого. В чем же сейчас, прежде всего,  нуждается компания «3D-Tek»? В заказчиках? В инвестициях?

- Заказы идут. С этим проблем нет. И заказы к нам поступают все более и более значимые. В отношении инвестиций - мы подали заявку в фонд «Сколково», надеемся, это поможет развивать наши разработки и реализовывать новые идеи.

Наши клиенты, профессионалы и журналисты, как говорится, «воочию» оценили качество нашей продукции. Подтверждением тому является вручение национальной премии «ПРОДУКТ ГОДА 2012» в номинации «TOP HIGH END» (www.productgoda.ru) и  признание специалистами и посетителями международных  выставок Consumer Electronics & Photo Expo (www.cep-expo.ru) и Integrated Systems Russia (www.isrussia.ru), где Интерполяционные экраны экспонировались рядом с продукцией лучших мировых Брендов.

В помещениях без затемнения картинка на наших экранах - яркая и четкая. Для выразительной презентации лучше не придумаешь. Поэтому бизнес – наши основные потребители.

Пользуются спросом Интерполяционные экраны и для обустройства домашнего кинотеатра или комнаты-студии. С приходом 3D меняется конфигурация помещения кинозалов.  Как мы отмечали ранее - для достижения полного «эффекта присутствия» Интерполяционные системы рекомендуется  смотреть с очень близкого расстояния. Зритель полностью погружается в картинку, и при этом чувствует себя совершенно комфортно. А для достижения ощущений, которые невозможно получить даже в самых лучших кинозалах мира, требуется выделить совершенно не много жизненного пространства - от 12м². Правда, для «полного погружения» необходима еще и акустическая система, способная сформировать объемное звуковое поле вблизи экрана.

- Да, я вижу…  и слышу,  звуковая система у Вас тоже необычная?

- Совершенно верно - это Контрапертурные акустические системы, тоже инновационная Российская разработка, с уникальными характеристиками. Но об этом предлагаю поговорить в другой раз.

- Да, столько неожиданных новостей! Но пора прощаться. Напоследок, откройте тайную завесу:

Над какими разработками вы сейчас работаете и чем нас еще планируете удивить в ближайшем будущем?

- Сейчас мы сосредоточены на разработке Интерактивной Видеостены, которая в ближайшем будущем сможет заменить дома и на работе - телевизор, монитор компьютера, систему связи и частично даже освещение и интерьер.
Проходит окончательную фазу доработки «ЛЕКТОР» - это интерактивная 3D система для образования, которая призвана заменить школьные  доски, планируем презентовать её на осенней выставке.

Есть  интереснейший проект по профессиональным кинозалам, объединяющий несколько прорывных инноваций, но он уже несколько лет лежит на полке, дожидаясь инвестора и «лучших времен».

Кроме решения инженерных задач мы проводим научные изыскания в областях психофизиологии восприятия, устройства и алгоритмов действия органов зрения и слуха.  Мы считаем, что именно понимание природы и устройства человеческого организма - ключ к успеху в создании информационных систем будущего.

В общем, планов громадьё! Искренне надеемся, что наши разработки найдут применение в хорошей технике, которая будет служить людям, доставляя удовольствие.

www.3D-tek.ru
Тел. 8 (495) 772-27-95