TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI
Ekonomická fakulta
D I P L O M O V Á P R Á C E
2011 Bc. Luděk Bečvář
Technická univerzita v Liberci Ekonomická fakulta
Studijní program: N 6209 – Systémové inženýrství a informatika Studijní obor: Manažerská informatika
Moderní trendy pro zachycení 3D reality
Modern trends in 3D reality capture
DP – EF – KIN 2011 2 Bc. Luděk Bečvář
Vedoucí práce: Ing. Petr Weinlich, Ph.D., Katedra informatiky Konzultant: Ing. Petr Plischke, jednatel AVSP s. r. o.
Počet stran: 92 Počet příloh: 3
Datum odevzdání: 6. května 2011
Prohlášení
Byl jsem seznámen s tím, že na mou diplomovou práci se plně vztahuje zákon č. 121/2000 Sb. o právu autorském, zejména § 60 – školní dílo.
Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé diplomové práce pro vnitřní potřebu TUL.
Užiji-li diplomovou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědom povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tomto případě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vynaložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.
Diplomovou práci jsem vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím diplomové práce a konzultantem.
V Liberci dne 5. května 2011 Bc. Luděk Bečvář
Poděkování
Tímto bych rád poděkoval vedoucímu diplomové práce panu Ing. Petru Weinlichovi, Ph.D.
z Katedry informatiky za odborný dohled, podnětné připomínky a poskytnutí metodických rad při zpracování mé diplomové práce.
Anotace
Tato diplomová práce pojednává o moderních trendech zachycení 3D reality a jejich potenciálu pro použití v reklamní kampani. Klade si za cíl popsat nejběžněji používané metody pro zachycení, uchování a reprodukci stereoskopické 3D reality. Dále popisuje současnou situaci v České republice v oblastech, jenž beprostředně souvisí s potenciální 3D reklamnou. Popisovanými oblastmi jsou 3D kinoreklama, televizní 3D vysílání a zkušenosti reklamních agentur se stereoskopickou reklamnou. Praktická část diplomové práce na vytvořených 3D reklamních materiálech (anaglyfická brožura a animace) ukazuje postupy, jenž se dají použít při tvorbě 3D reklamních materiálů pomocí programu Blender.
Posuzuje časovou a finanční náročnost jejich tvorby. Vytvořené materiály srovnává s klasickými 2D reklamními materiály. Součástí praktické části práce je srovnání kladů a záporů, které s sebou přináší využívání 3D anaglyfických reklamních metod.
Klíčová slova
2D, 3D, anaglyf, animace, blender, brožura, CGI, časová náročnost, finanční náročnost, moderní trendy, multimédia, počítačová grafika, propagace, reklama, side-by-side, stereoskopie, trojrozměrné záznamy
Annotation
This diploma paper treat of modern trends in 3D reality capture and its potencial for advertising. Main goal of work is describe regular methods used for capture, storage and reproduction of stereoscopic 3D reality. Then describe current situation in Czech republic in areas, that are immediately relevant to potencional 3D advertising. These areas are 3D adverts in cinemas, 3D television and experiences of advertising agencies with stereoscopic advert. Practical part of diploma paper is showing procedure, which lead to creation of 3D anaglyph propagation materials (brochure, animated clip). Part of the work is dedicated to view on financial and time intensity of this materials and comparation with classical 2D materials. Last but not least work contain specification of strong and weak sides of 3D anaglyphic propagation materials.
Key Words
2D, 3D, advertisement, anaglyph, animation, blender, booklet, CGI, computer graphic, financial intensity, modern trends, multimedia, promotion, side-by-side, stereoscopy, three- dimensional records, time intensity
Obsah
OBSAH...9
SEZNAM ZKRATEK...11
SEZNAM TABULEK...13
SEZNAM OBRÁZKŮ...14
ÚVOD...16
1 VNÍMÁNÍ 3D REALITY...16
1.1 BINOKULÁRNÍDISPARITA...17
1.2 BINOKULÁRNÍKONVERGENCE...18
2 ZÁZNAM 3D REALITY...20
2.1 FOTOAPARÁTYA 3D ZÁZNAM...22
2.1.1 3D fotoaparáty...22
2.1.2 Synchronizace dvou fotoaparátů...23
2.1.3 Posun fotoaparátu...24
2.2 KAMERYA 3D ZÁZNAM...24
3 REPRODUKCE 3D REALITY...28
3.1 STEREOSKOPICKÉMETODYZOBRAZENÍ...28
3.1.1 Metoda side-by-side...28
3.1.2 Metoda anaglyfu...30
3.1.3 Metoda polarizovaného promítání...32
3.1.4 Metoda LC brýlí...34
3.1.5 Bezpomůckové prohlížení 3D záznamů...36
3.2 STATICKÉ 3D ZÁZNAMY...38
3.2.1 Formáty obrazu a tisk...38
3.3 DYNAMICKÉ 3D ZÁZNAMY...39
3.3.1 Televize s 3D zobrazením...39
3.3.2 Kina s 3D zobrazením...41
4 TVORBA UMĚLÉ 3D REALITY A OBJEKTŮ...44
4.1 HISTORIEPOČÍTAČOVĚGENEROVANÉGRAFIKYAANIMACE...45
4.2 VŠEOBECNÝPOSTUPTVORBYPOČÍTAČOVĚGENEROVANÉ 3D GRAFIKY...46
4.3 SOFTWAROVÉNÁSTROJEPROTVORBU 3D POČÍTAČOVÉGRAFIKY...48
5 STRUČNÁ TEORIE REKLAMY...51
5.1 BARVYAREKLAMA...52
5.2 VOLBAMÉDIÍPROREKLAMNÍKAMPAŇ...53
6 SITUACE V ČESKÉ REPUBLICE...54
6.1 REKLAMAVČESKÝCH 3D KINECH...54
6.2 TELEVIZNÍVYSÍLÁNÍVE 3D...55
6.3 REKLAMNÍAGENTURYAJEJICHZKUŠENOSTIS 3D...56
7 REKLAMNÍ 3D BROŽURA MOBILNÍHO TELEFONU...58
7.1 POPISTVORBYREKLAMNÍ 3D ANAGLYFICKÉBROŽURY...59
7.1.1 Příprava modelu telefonu...59
7.1.2 Definování materiálu a otexturování mobilního telefonu...61
7.1.3 Celková příprava scény na rendering...63
7.1.4 Docílení anaglyfického efektu v programu Blender...65
7.1.5 Rendering a dokončovací práce...67
7.2 ČASOVÁADATOVÁNÁROČNOSTTVORBY 3D ANAGLYFICKÉBROŽURY...68
7.3 FINANČNÍNÁROČNOSTTVORBY 3D ANAGLYFICKÉBROŽURY...70
7.4 MOŽNÁVYUŽITÍ 3D ANAGLYFICKÉBROŽURY...72
7.5 ZHODNOCENÍPŘINOSNOSTI 3D ANAGLYFICKÉREKLAMNÍBROŽURY...73
7.5.1 Klady 3D anaglyfické brožury...73
7.5.2 Zápory 3D anaglyfické brožury...74
8 REKLAMNÍ 3D ANAGLYFICKÁ ANIMACE...75
8.1 POPISTVORBYREKLAMNÍHO 3D ANAGLYFICKÉANIMACE...75
8.1.1 Celková příprava scény na rendering...76
8.1.2 Animování objektů v reklamní scéně...76
8.1.3 Rendering a dokončovací práce...77
8.2 ČASOVÁADATOVÁNÁROČNOSTTVORBY 3D REKLAMNÍANIMACE...77
8.3 FINANČNÍNÁROČNOSTTVORBY 3D REKLAMNÍANIMACE...79
8.4 MOŽNÁVYUŽITÍ 3D ANAGLYFICKÉREKLAMNÍANIMACE...81
8.5 ZHODNOCENÍPŘINOSNOSTI 3D ANAGLYFICKÉREKLAMNÍANIMACE...81
8.5.1 Klady 3D anaglyfické animace...82
8.5.2 Zápory 3D anaglyfické animace...82
ZÁVĚR...83
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY...85
Seznam příloh...92
Seznam zkratek
2D Dvourozměrný (Two-dimensional) 3D Trojrozměrný (Three-dimensional) AVI Audio Video Interleave
BI Vnitřní renderer Blenderu (Blender Internal)
CGI Počítačové generované obrazy (Computer-generated imagery) CPV Cena za zhlédnutí (Cost per view)
CRT Katodová trubice (Cathod ray tube) DCI Digital Cinema Initiatives
DPI Počet obrazových bodů na palec (Dots per inch) FPS Snímková ferkvence (Frames per second) GIF Graphics Interchange Format
GUI Grafické uživatelské rozhraní (Graphical user interface) HD Vysoké rozlišení (High definition)
Hz Hertz
JPEG Joint Photographic Experts Group
JPS JPEG Stereo
LC Tekuté krystaly (Liquid crystal)
LCD Displej z tekutých krystalů (Liquid crystal display) MOV QuickTime File Format
MPEG Motion Picture Experts Group PAL Phase alternating line
PNG Portable Network Graphics PNS PNG Stereo
STL Stereolithography file format
VOD Video na vyžádání (Video on demand) WMV Windows Media Video
Seznam tabulek
Tab. 1: Čas práce na jednotlivých etapách výroby 3D brožury...68
Tab. 2: Kalkulace nákladů na tvorbu 3D anaglyfické brožury (bez DPH)...71
Tab. 3: Čas práce na jednotlivých etapách výroby 3D reklamní animace...78
Tab. 4: Kalkulace nákladů na tvorbu 3D anaglyfické animace (bez DPH)...80
Seznam obrázků
Obr. 1: Princip binokulární disparity...18
Obr. 2: Princip binokulární konvergence...19
Obr. 3: Stereo fotoaparát – Louis Jules Duboscq...21
Obr. 4: Stereokotoučky Meopta s prohlížečkou Meoskop – výráběno od roku 1962...22
Obr. 5: Fotoaparát Fuji FinePix real 3D – první moderní 3D digitální fotoaparát...23
Obr. 6: Makro sáňky Novoflex Castel-QX – ukázka řešení pro přesný horizontální posun fotoaparátu...24
Obr. 7: IMAX 3D kamera – ukázka její velikosti v porovnání s kameramanem...26
Obr. 8: Panasonic HDC-SDT750, první cenově dostupná digitální 3D kamera...27
Obr. 9: Obraz zachycený metodou side-by-side...29
Obr. 10: Ukázka různých druhů anaglyfických brýlí...30
Obr. 11: Obraz zachycený metodou anaglyfu (red-cyan barevný systém)...31
Obr. 12: Princip lineární, kruhové a eliptické polarizace elektromagnetických vln...32
Obr. 13: Brýle s polarizovanými skly sloužící v kinech se systémem Dolby-3D...34
Obr. 14: LCD brýle Nvidia 3Dvision spolu s vysílací základnou, zajíštující synchonizaci s monitorem...35
Obr. 15: Random dot autostereogram – při správné konvergenci očí je možno vidět závodní auto...37
Obr. 16: Trojrozměrná televize Toshiba 3D REGZA GL1...40
Obr. 17: Kina dle digitálního standardu DCI v České republice...42
Obr. 18: Fotorealistická počítačová vizualizace Rakouské korunovační koruny (programy Blender a LuxRender)...44
Obr. 19: Vytvořený model mobilního telefonu z více stran...60
Obr. 20: Model mobilního telefonu s aplikovanými materiály...62
Obr. 21: Model mobilního telefonu s aplikovanými texturami...62
Obr. 22: Barevné verze vytvořeného mobilního telefonu...63
Obr. 23: Render scény pro vnější stranu brožury...64
Obr. 24: Render scény pro vnitřní stranu brožury – anaglyfický obrázek...65
Obr. 25: Nastavení Node editoru pro anaglyfický efekt...66
Obr. 26: Test zkreslení barev při použití anaglyfu...67
Úvod
Trojrozměrné zobrazení není novinkou a v posledních letech razantně vzrostl zájem veřejnosti o 3D technologie. Rozvoj počítačů a filmařského vybavení má za následek prudký nárůst počtu filmů natáčených pomocí 3D technologie. Dochází k zvýšení množství 3D kin a k expanzi prodeje televizí schopných věrně zobrazovat trojrozměrnou realitu.
Stereoskopické zobrazení se stalo módní záležitostí. Nachází své uplatnění i tam, kde se dříve využívalo pouze klasických 2D technologií. Otevírá se prostor pro využití stereoskopických materiálů v reklamní činnosti. Trojrozměrná reklama se stává atraktivní pro diváky a v budoucnu jistě dojde k dalšímu rozvoji a rozšíření tohoto způsobu reklamy.
Tato diplomová práce podává přehled o technologiích používaných při zachycení, tvorbě a reprodukci 3D reality. Ověřuje výhody a omezení plynoucí z podstaty trojrozměrných metod zobrazení. Zároveň si klade za úkol popsat současnou situaci 3D technologií v reklamě na území České republiky. Zaměřuje se také na připravenost kin a reklamních agentur v oblasti 3D reklamy.
Součástí diplomové práce je detailní popis vzniku vlastní 3D reklamy ve formě krátkého anaglyfického videoklipu a propagační anaglyfické brožury. Následuje posouzení datové, finanční a časové náročnosti tvorby 3D reklamních materiálů. V diplomové práci jsou shrnuty získané poznatky o možnostech 3D reklamy na území ČR a její porovnání s klasickou reklamou.
1 Vnímání 3D reality
Vnímání (percepce) zachycuje to, co v daný okamžik působí na smysly. Informuje nás o vnějším světě (např. o barvě, chuti), ale také o světě vnitřním (bolest, zadýchání).
Vnímání je tedy subjektivním odrazem objektivní reality v našem vědomí prostřednictvím receptorů. [1]
Při vnímání trojrozměrného prostoru nejvíce využíváme zrakových receptorů – očí. Člověk je vybaven párem očí, jejichž zorná pole se překrývají. Překrývající se plocha prostoru je viděna binokulárně. Binokulární vidění umožňuje vnímat hloubku prostoru. Umožňuje přesnější odhad vzdáleností a dokonalejší přehled o postavení a uspořádání objektů v prostoru. [2]
Při pohybech těla mění člověk svou polohu v trojrozměrném světě. Musí při tom využívat informace o prostorové hloubce. Člověk zvládá percepci 3D prostoru, přestože podněty na jeho sítnicích jsou pouze 2D (dvourozměrným) zobrazením toho co vidí. Je to umožněno již zmíněným binokulárním viděním. Podstata binokulárních podnětů určujících hloubku je dána dostatečnou vzájemnou vzdálenosti lidských očí. Oči přivádějí do mozku dva druhy informací: binouklární disparitu a binokulární konvergenci. [3][4]
1.1 Binokulární disparita
Na podněty informující o prostorové hloubce prostřednictvím binokulární disparity spoléhá člověk soustavně. Jakmile se k pozorovateli blíží předmět, vysílají jeho oči do mozku obrazy, jejichž rozdíl (disparita) rostě úměrně přibližování (proces znázorněn na obr. 1).
Mozek interpretuje míru disparity předmětu jako indikátor jeho vzdálenosti od pozorovatele. Mozek tedy informace o disparitě využívá jako vodítko prostorové hloubky.
[3] [4]
Obr. 1: Princip binokulární disparity Zdroj: vlastní
1.2 Binokulární konvergence
U předmětů, které pozorovatel vidí z malé vzdálenosti, užívá jako podnět určující prostorovou hloubku binokulární konvergenci. Při binokulární konvergenci se pozorovatelovy oči stáčejí dovnitř úměrně tomu, jak se k němu blíží předmět (proces znázorněn na obr. 2). Natáčení oka zajišťuje, že obraz dopadá do jeho centrální části. Tam je vnímán s největší ostrostí. Příslušné svaly posílají informace o pohybu oka do mozku.
Pozorovatelův mozek interpretuje pohyby očních svalů jako indikátor vzdálenosti předmětu. [3] [4]
Obr. 2: Princip binokulární konvergence Zdroj: vlastní
2 Záznam 3D reality
Myšlenka zaznamenat věrně 3D realitu není nová. První průkopníci 3D fotografie se objevili již v první polovině 19. století. V průběhu historie bylo používáno několik odlišných metod záznamu 3D reality. Mezi nejvýznamnější patří:
stereoskop,
stereofotoaparát,
stereokotoučky.
První přístroj pro prohlížení stereofotografií, tedy fotografií, které nesou záznam pro každé oko zvlášť, sestrojil již roku 1838 anglický vynálezce Charles Wheatstone (1802-1875).
Aparát byl nazván stereoskop. [5]
Na Wheatstoneovu práci navázal jeden z nejznámějších vynálezců své doby, francouzský optik Louis Jules Duboscq (1817-1886). Za svou práci byl v roce 1857 vyznamenán zlatou medailí francouzské Societé d'Encouragment de l'Industrie Nationale (Společnost pro Podporu Národního Průmyslu). V jeho pařížské dílně vznikl stereofotoaparát (obr. 3) a v roce 1850 prohlížečka stereofotografií – vylepšený stereoskop. V roce 1851 uspořádal první výstavu stereoskopických fotografií v londýnském Crystal Palace. Výstava zaznamenala velký úspěch. Povzbuzeni tímto úspěchem, začali výrobci z celé evropy vyrábět stereoskopické aparatury. V létech po výstavě bylo prodáno několik set tisíc stereoskopů. Bylo vyvinuto několik specializovaných druhů stereoskopů, např.
panoramatický stereoskop a pseudoskop. [5][6][7]
Obr. 3: Stereo fotoaparát – Louis Jules Duboscq Zdroj: http://www.ukcamera.com/classic_cameras/historyenglish.html
Další významnou epizodou v historii záznamu 3D reality byly tzv. stereokotoučky.
Stereokotoučky byly papírové či kovové kotouče o průměru 9 cm, v nichž bylo upevněno 14 transparentních obrázků spárovaných do 7 stereoskopických dvojic. Vynálezcem technologie stereokotoučků byl William Gruber, výrobce varhan a fotograf z Portlandu v Oregonu. Ve svém volném čase se zabýval vylepšením starého stereoskopu pomocí tehdejší novinky – barevného fotografického filmu. Ve spolupráci s Portlandskou firmou Sawyers uvedl v roce 1938 na trh první stereokotouček a prohlížečku. Do povědomí veřejnosti se stereokotoučky dostaly až po světové výstavě v New Yorku roku 1939 pod jménem ViewMaster. Záběry pro stereokotoučky byly nejdřive pořizovány převážně na americkém středozápadě. Po 2. světové válce se škála námětů začla prudce rozšiřovat o zahraniční motivy, pohádkové příběhy, ale také o biblické příběhy. Stereokotoučky si našly výrobce i v dalších zemích mimo americký kontinent. Pod původní značkou ViewMaster byly vyráběny např. v Belgii, Francii, Austrálii, Indii. V Itálii byly vyrýběny pod značkou Stereo-Rama, v Brazílii pod názvem Alto-Relevo. V Československu byly známy pod značkou Meopta a Plastikolor. Během historie ViewMasteru bylo vydáno více než 8000 stereokotoučků s rozličnými motivy. V součastnosti nacházejí své místo především ve sbírkách sběratelů z celého světa. [8][9]
Obr. 4: Stereokotoučky Meopta s prohlížečkou Meoskop – výráběno od roku 1962 Zdroj: http://expo58.blogspot.com/2009_03_01_archive.html
Vývoj techniky se nezastavil a v součastnosti existuje celá řada způsobů jak zaznamenat 3D realitu. Následující kapitoly mají za úkol představit způsoby získávání trojrozměrných fotografií a videozáznamů.
2.1 Fotoaparáty a 3D záznam
Záznam 3D reality pomocí fotoaparátu je možno realizovat několika způsoby. Prvním je použití speciálního 3D fotoaparátu. Trojrozměrné fotografie lze ale pořídit i standardním fotoaparátem metodou posunu fotoaparátu nebo synchonizací dvou fotoaparátů.
2.1.1 3D fotoaparáty
Fotoaparáty, které umí zaznamenat 3D realituje nejsou novinkou. Jejich vývoj probíhá již více než 150 let. Výrazný posun v možnostech práce s 3D fotografiemi umožnila digitalizace 3D fotoaparátů. Prvním digitálním fotoaparátem zaznamenávajícím realistické trojrozměrné fotografie byl v roce 2009 FinePix real 3D od společnosti Fuji. Digitální 3D fotoaparáty jsou vybaveny dvěma objektivy a dvěma snímači, jenž snímají scénu současně.
Objektivy jsou umístěny vodorovně s roztečí přibližně odpovídající vzdálenosti lidských oči (cca 6,5 cm). Zaznamenaný obraz je blízký přirozenému trojrozměrnému vidění člověka. Obrazová data z obou snímačů jsou pomocí speciálního algoritmu sloučena do
jednoho snímku. Pomocí 3D digitálních fotoaparátů je možné vytvořit i klasické 2D fotografie. [10][11]
Další výrobci fotoaparátů na trh přinášejí své vlastní verze 3D fotoaparátů. Mezi tyto výrobce patří i Panasonic. Jeho 3D fotoaparát (Panasonic DMC-GH2) má klasickou konstrukci, stejnou jako standardní digitální fotoaparáty. Nabízí možnost výměny objektivů. Jedním z kompatibilních objektivů je i objektiv 3D LUMIX G 12,5 mm f12 (H- FT012). V něm se nacházejí dvě samostatné optické soustavy – levá a pravá. Záznam se provádí souběžně a výslednou dvojici obrazů zpracovává 3D obrazový procesor. [12] [13]
Obr. 5: Fotoaparát Fuji FinePix real 3D – první moderní 3D digitální fotoaparát Zdroj: http://www.fujifilm.cz
2.1.2 Synchronizace dvou fotoaparátů
První metodou, jak zaznamenat 3D realitu pomocí standardního 2D fotoaparátu, je mechanická či elektronická synchonizace dvou fotoaparátů. Aparáty se umístí vedle sebe tak, aby simulovaly vzdálenost lidských očí a ve stejný čas zaznamenají zabíranou scénu.
Synchronizované fotoaparáty vytvoří dvě rozdílné 2D fotografie, které snímají objekty na scéně z mírně odlišných úhlů. Vytvořené fotografie se upraví tak, že vznikne prostorová fotografie. Nevýhodou metody synchonizace dvojice fotoaparátů je menší přesnost než při použití speciálního stereofotoaparátu. Proto může být výsledná 3D fotografie méně kvalitní. Výhododou metody je možnost použítí jakéhokoliv fotoaparátu, včetně těch levných. Náklady mohou být menší než při použití speciálního 3D fotoaparátu. Další výhodou je možnost libovolně určit rozteč objektivů a tvořit zvláštní druhy 3D fotografií, např. hyper stereofotografie (velká rozteč objektivů, v řádu metrů). [13] [14]
2.1.3 Posun fotoaparátu
Další metodou záznamu 3D reality pomocí 2D fotoaparátu je metoda posunu fotoaparátu.
Při metodě posunu fotoaparátu je nejdříve zaznamenán snímek pro jedno oko. Potom je fotoaparát posunut do nové pozice, kde je vytvořen snímek pro druhé oko. Horizontální posun může být v případě ručního posunu libovolně velký. Využít lze i speciální posuvnou lištu, tzv. stereo sánky, jenž se připevňují na stativ. V případě jejich použití je maximální rozteč posunu omezena rozměry používaných sáněk. Vytvořené 2D fotografie jsou upraveny do výsledné trojrozměrné podoby. Omezením metody posunu fotoaparátu je její nevhodnost při fotografování pohyblivých objektů. Používá se nejvíce na 3D makro fotografie. Finanční náročnost metody je menší než u metody synchonizace dvou fotoaparátů, protože se používá pouze jeden přístroj. [13] [14]
Obr. 6: Makro sáňky Novoflex Castel-QX – ukázka řešení pro přesný horizontální posun fotoaparátu
Zdroj: http://www.novoflex.com
2.2 Kamery a 3D záznam
Éra stereoskopického záznamu filmů začala až s odstupem několika desítek let po prvních pokusech s trojrozměrnými fotografiemi. V devadesátých letech 19. století si britský filmař William Friese-Greene nechal patentovat systém, který mu umožňoval zachytit a reprodukovat 3D film. Systém spočíval v promítání dvou filmů vedle sebe na plátno.
Divák plátno musel sledovat pomocí stereoskopu. K záznamu filmu sloužila kamera, kterou vyvinul spolu s Frederickem Varleyem a Mortimerem Evansem. Kamera vybavená
dvojicí objektivů však byla schopna zaznamenat pouze 4 až 5 snímků za sekundu. Kvůli své nepraktičnosti a nízké kvalitě obrazu se tento systém neujal. Vylepšenou stereo kameru opatřenou dvěmi soustavami čoček si nechal roku 1900 patentovat Frederick Eugene Ives.
[15][16]
Prvním 3D filmem vysíláným platícím návštěvníkům byl The Power of Love. Premiéra se udála 27. září 1922 v Los Angeleském hotelu Ambassador. Producent Harry K. Fairall byl zároveň autorem nové kamery navržené speciálně pro tento film. Bylo to poprvé, kdy při promítání byla použita technologie anaglyfu (více o anaglyfech v kapitole 3.1.2). [15]
Následovala léta, kdy nové 3D filmy sice vznikaly, ale v principu využívaly již známe techniky. V roce 1932 představil Edwin H. Land první levné filtry schopné polarizovat světlo. Ty našly své uplatnění při stereoskopické prezentaci. Technika polarizace světla (více v kapitole 3.1.3) se velmi rychle rozšířila. Známá německá společnost Zeiss začala komerčně vyrábět brýle s polarizovanými skly pro 3D projekci a také vytvořila svou vlastní verzi stereoskopické kamery. Pomocí Zeiss 3D kamery byla nasnímána celá řada předválečných filmů. Nebyl to ale jediný použivaný kamerový systém té doby, protože mnoho filmových producentů používalo své vlastní kamerové systémy. [15]
Po pauze způsobené 2. světovou válkou byl učiněn další pokrok na poli 3D kamer. V roce 1952 byl představen první barevný trojrozměrný film Bwana Devil. Natočen byl pomocí kamerového systému, jehož autor byl M. L. Gunzberg. Použitý systém dostal komerční název NaturalVison. Během několika dalších let, v období, které je často nazýváno zlatou érou 3D filmu, byla natočena řada stereoskopických filmů. Promítány byly ve více než 5000 kinech v USA, Japonsku, ale i Evropě. [15][17]
Po zlaté éře 3D filmu v 50. letech 20. století přišel útlum v produkci 3D filmů.
V následujících desetiletích byly trorozměrné filmy natáčeny jen sporadicky. Důvodem byly vysoké nároky na kamerové systémy, na kinosály, ale také chybějící standardizované formáty pro 3D video. V některých filmech se sice objevovaly krátké části, které využívaly techniku anaglyfu, ale jejich výskyt nebyl častý. [15]
Změnu přinesly pozdní 80. léta dvacátého století. Společnost IMAX corporation přišla na trh s nabídkou trojrozměrných dokumentárních filmů. Síť kinosálů IMAX byla známa pro
svou obří velikost plátna (22 m × 16.1 m). Velikost promítané plochy spolu s kvalitou 3D obrazu měla za následek znovuzrození obliby 3D filmů u diváků. Kvalita a rozměry IMAX filmů byly extrémní, stejně jako parametry IMAX kamer. IMAX kamery využívaly klasický filmový pás o šíři 65 mm, který v nich byl orientován vodorovně. Trojrozměrné IMAX kamery byly na přední straně vybaveny dvojicí objektivů, vzdálených od sebe 6,4 cm. Extrémní byly rozměry kamer. 3D IMAX kamera vážila více než 113 kg. Kamery umožňovaly zaznamenávat až 36 snímků za sekundu. Z konstrukce kamer pramenila omezení při natáčení IMAX 3D filmů. Manipulace s IMAX kamerou byla extrémně náročná. [15][18]
Obr. 7: IMAX 3D kamera – ukázka její velikosti v porovnání s kameramanem Zdroj: http://www.fullsail.edu/news/top-news/2010-03-25-james-neihouse-hubble-3d-imax
Prozatím poslední období v historii 3D kamer a filmů začalo roku 2003. 3D filmy se navrátily do filmového mainstreamu (hlavní tok určený široké škále diváků). V současné době (rok 2011) má každý měsíc premiéru řada 3D filmů. Do kin láká široké spektrum diváků (více v kapitole 6.1 Reklama v českých 3D kinech). Mnoho filmových studií natáčí 3D filmy. Obvykle k tomu využívají 3D kamery své vlastní, více či méně unikátní konstrukce. Jejich vysoká cena brání jejich běžnému pořízení. Některé společnosti nabízejí pronájem 3D kamer, ale požadované částky jsou i za pronájem poměrně vysoké. [15][19]
Obr. 8: Panasonic HDC-SDT750, první cenově dostupná digitální 3D kamera Zdroj: http://www.panasonic.cz
Růst zájmu o 3D technologie nemohl zůstal nepovšimnut společnostmi vyrábějícími spotřební elektroniku. Od roku 2008 byly prezentovány prototypy digitálních Full HD 3D kamer kompaktnějších rozměrů, určené méně movitým filmařům. Nejaktivnějšími výrobci byly společnosti Sony a Panasonic. První 3D digitální cenově dostupnou videokamerou na trhu se v roce 2010 stala kamera Panasonic SDT750. Kamera je vybavená jedním speciálním objektivem, který snímá obraz pro levé i pravé oko přes dvě optické soustavy.
Snímaný obraz má rozlišení 960 x 1080 pixelů pro každé oko. Prostorový 3D záznam je možné reprodukovat pouze na kompatibilních 3D televizorech. Po odejmutí speciálního objektivu je možné kamerou natačet i standardní 2D videa. [15][[19][20]
3 Reprodukce 3D reality
Reprodukcí 3D reality se lidé zabývají stejně dlouho jako jejím záznamem, protože tyto dvě činnosti spolu úzce souvisejí a jedna bez druhé postrádá smysl. V průběhu historie stereoskopických záznamů byla vyvinuta řada metod zprostředkování 3D požitku z fotografií i filmů. Následující podkapitoly mají za úkol představit metody reprodukce 3D reality a vysvětlit na jakém principu fungují.
3.1 Stereoskopické metody zobrazení
Stereoskopické metody zobrazení grafických záznamů jsou takové metody, které umožňují spatřit zobrazovanou scénu nikoli ploše, ale s pocitem vnímání hloubky. Výsledná fotografie či video se jeví jako trojrozměrné. Stereoskopické metody spoléhají na nedokonalost a přizpůsobivost lidských očí. Každému oku předkládají jiný 2D obraz.
Dvourozměrné obrazy jsou v mozku složeny do požadované 3D podoby, vzniká tak trojrozměrný vjem. Metod dosážení 3D efektu byla vymyšlena celá řada. Každá z nich sebou nese určité výhody, ale zároveň i omezení a specifické požadavky na technické vybavení při jejich aplikaci. [4][21]
3.1.1 Metoda side-by-side
Metoda side-by-side (do češtiny může být přeložena jako metoda „vedle sebe”) je nejstarší metodou stereoskopického zobrazení. Spočívá v existenci dvou standardních dvourozměrných záznamů, které snímají danou scénu z mírně odlišných úhlů. Uloženy jsou na médiu vedle sebe. Metodu side-by-side lze aplikovat na statické obrazy (fotografie), ale i na obrazy dynamické (video). Aby vznikl požadovaný trojrozměrný efekt je potřeba zajistit, že se správná část obrazu dostane do správného oka. To zajišťují speciální ruční prohlížečky. Obsahují buďto jednoduché spojené čočky, nebo dokonalejší soustavu čoček. Ta umožňuje individuální zaostření a nastavení vzdálenosti očí. Příkladem side-by-side prohlížečky může být systém Viewmaster. Metoda side-by-side není aplikovatelná pouze na analogové záznamy. Lze ji použít i pro zobrazení moderních
digitálních záznamů. Většina moderních 3D televizorů metodu side-by-side podporuje. Své uplatnění má i při digitálním 3D televizním vysílání. [14] [21] [22]
Obr. 9: Obraz zachycený metodou side-by-side Zdroj: Vlastní, vytvořeno v programu Blender 2.49b
Výhodou metody side-by-side je její jednoduchost. Při jejím využití neni potřeba téměř žádná dodatečná úprava pořízených 2D záznamů. Konstrukce prohlížeček je poměrně jednoduchá. Při reprodukci záznamu nedochází k úbytku jasu a prezentované záznamy mohou mít velmi velké rozlišení. Při užití metody nedochází ke zkreslení barev a podání obrazu je tedy věrné. Při pozorování obrazu nevznikají negativní obrazové efekty, někdy nazývané jako „duchy“. Ty doprovázejí některé z dalších metod reprodukce 3D záznamů.
[21] [22][23][24]
Nevýhoda metody side-by-side vyplývá z její podstaty. O zobrazovanou plochu se dělí dva záznamy – pro každé oko jeden. Výsledný složený obraz má poloviční horizontální rozlišení v porovnání se standardním 2D záznamem uloženým na stejném médiu. V praxi to znamená, že zařízení (např. digitální televize) může být schopno pracovat s Full HD rozlišením obrazu (1 920 × 1 080 obr. bodů), ale reálně zobrazovaný obraz má rozlišení 960 × 1 080 obrazových bodů. Je tedy pouze roztáhnut v poměru odpovídajícím rozlišení zařízení. [21][23] [24]
3.1.2 Metoda anaglyfu
Metoda anaglyfu (anglicky anaglyph) je historicky druhou nejstarší užívanou metodou 3D zobrazení reality. Při tvorbě anaglyfického záznamu je potřeba mít dva odlišné 2D záznamy zabírané scény. Jádrem metody anaglyfu je rozložení obrazů pro lévé i pravé oko na různé barevné složky. To se provede přibarvením obrazu zvolenými barvami. Nejčastěji používanou kombinací barev je systém red-cyan (červená-modrozelená). Můžeme se ale setkat i s řadou jiných barevných kombinací – např. red-green (červená-zelená), red-blue (červená-modrá) či tzv. Inficolor (magenta-green, fialová-zelená). Kombinace red-cyan je nejznámější a nejčastěji používanou barevnou kombinací. Dva barevně upravené záznamy se smíchají do jednoho výsledného 3D anaglyfického obrazu. [15] [21] [25] [26]
Obr. 10: Ukázka různých druhů anaglyfických brýlí
Zdroj: http://pt.aliexpress.com/product-fm/357965378-3d-glasses-3d-movie-glasses-colored- filters-wholesalers.html
Divák musí použít speciální anaglyfické brýle, které mají skla v barvách odpovídajících použité kombinaci barev. V případě použití red-cyan kombinace jsou brýle opatřeny červeným sklem pro levé oko a zelenomodrým pro oko pravé. Červeným sklem do levého oka pronikají jen ty části obrazu, které mají v anaglyfickém obrazu červenou barvu.
Zelenomodrým sklem do pravého oka naopak pronikají pouze ty části obrazu, které mají zelenou a modrou barvu. Červené části obrazu, které proniknou cyan sklem do pravého oka se zdají jako tmavé. Stejně tak se zdají jako tmavé ty části obrazu, které mají zelenou a modrou barvu a pronikají do levého oka přez červené sklo. Každé oko vidí obraz z jiné perspektivy. Předává zaznamenané informace do mozku, kde je složen požadovaný 3D obraz. [15] [21] [25] [26]
Obr. 11: Obraz zachycený metodou anaglyfu (red-cyan barevný systém) Zdroj: Vlastní, vytvořeno v programu Blender 2.49b
Výhodou anaglyfické metody je možnost aplikovat ji při jakémkoli zobrazení. Funguje na standardním monitoru či televizi, při promítání na klasické plátno, i při tisku. Malé nároky na techniku měly za následek její velké rozšíření. Byla využívána u trojrozměrných filmů, ale také u jiných druhů multimédií. Příkladem mohou být některé komiksové knihy, které již tradičně metody anaglyfu využívají. Jednoduchost anaglyfické metody vedla k tomu, že si většina lidí pod pojmem 3D film představí film promítáný anaglyficky. Postupně se nahrazuje metodami dokonalejšími, ale stále nachází své uplatnění tam, kde technická omezení nedovolí nasazení jiných metod. [15] [21] [25]
Další výhodou anaglyfické metody je snadnost její realizace. V současnosti lze anaglyfické obrazy vytvořit v libovolném softwarovém grafickém editoru. Nejlevnější funkční papírové anaglyfické brýle stojí kolem 20 Kč. Při hromadném nákupu jejich cena může poklesnout až na zlomek původní ceny. Anaglyfické brýle s plastovými obroučkami se prodávají za ceny začínající na 100 Kč. [21] [25]
S využíváním metody anaglyfu jsou spojeny i nevýhody, např. ztráta barevné informace.
Nejvíce jsou zkresleny barvy podobné barvám skel brýlí. Další nevýhodou je přítomnost negativních obrazových efektů, které jsou označovány jako duchy (duch anglicky = ghost, negativní efekt označován jako ghosting). Drobné vady obrazu mají při delším sledování anaglyfu u určitého procenta citlivých diváků za následek drobné zdratovní obtíže. Mezi zaznamenané obtíže patří bolest hlavy a očí. [21] [25]
Prozatím posledním vylepšením metody anaglyfu byl systém ColorCode 3D. Využívá brýle se skly jantarové a modré barvy. Na rozdíl od ostatních anaglyfických systémů tato kombinace barev zaručuje, že ve výsledném obrazu je ztraceno jen minimum barevné informace. Systém ColorCode 3D byl využit při různých přiležitostech 3D televizního vysílání, např. při vysílání finále play-off americké fotbalové ligy – Super Bowlu v roce 2009. [15] [21] [25]
3.1.3 Metoda polarizovaného promítání
Metodou přinášející velmi kvalitní 3D obraz je metoda polarizovaného promítání.
Vyžaduje ale speciální vybavení a znalosti. Světlo je elektromagnetické vlnění, které kmitá ve všech směrech kolmých na směr jeho šíření. Pokud pro názornost jev zjednodušíme tak, že kmitání probíhá pouze ve dvou na sebe kolmých směrech, tak polarizace (lineární polarizace) zajistí, že elektromagnetická vlna bude po polarizace kmitat pouze v jedné rovině (viz obr. 12). Intenzita polarizovaného světla se tak sníží na polovinu. Polarizátorů existuje celá řada. Pro účely 3D zobrazení se používá výhradně polarizačních filtrů. Jsou to tenké vrstvy materiálu tvořené dlouhými, těsně u sebe uspořádanými molekulami. [27]
[28] [29]
Obr. 12: Princip lineární, kruhové a eliptické polarizace elektromagnetických vln Zdroj: http://www.blazelabs.com/
Z principu polarizace světla vyplývá, že je tato metoda aplikovatelná tam, kde je obrazový záznam nesen světlem či promítán projektory. Nedá se použít pro tištěné dokumenty. Pro prezentaci na monitorech či televizních LCD obrazovkách je hůře aplikovatelná a finančně náročná. Prozatím existuje jen minimum přístrojů, které by jí využívaly.[27] [29]
Při realizaci projekce založené na polarizaci světla je potřeba mít dvojici projektorů, každý vybaven jinak polarizovaným filtrem. Projektory promítají obraz na speciální plátno, které samo nemění polarizaci světla. K tomuto účelu je nejčastěji používáno stříbrné promítací plátno, nebo plátno s pohliníkovaným povrchem. Diváci jsou vybaveni speciálními brýlemi s polarizovanými skly. Ta zajistí, že se do každého oka dostane rozdílný obraz.[27] [29]
Existuje několik variant metody polarizace světla. Liší se tím, jaké druhy polarizačních filtrů využívají. Nejčastější je využití lineárně polarizovaných a kruhově polarizovaných filtrů. Výhodou kruhově polarizovaných filtrů je to, že divák může naklánět hlavu a přesto vnímaný obraz zůstane nezměněn. Při využití lineárně polarizovaných filtrů by pro zachování dokonalého obrazu neměl hlavu naklánět vůbec. [27]
Prvním obdobím masového nasazení metody polarizace bylo tzv. zlaté období 3D filmů v 50. letech 20. století. Lineární polarizace byla standardem v trojrozměrné kinematografii v 80. letech 20. století. Rozvoj digitálních technologií a počítačové grafiky a animace v 21.
století znamená další šanci pro metody polarizace světla. V kinosálech se prosazují zobrazovací systémy využívající polarizaci světla. Nejznámějšími zástupci jsou systémy IMAX, RealID Cinema a Dolby-3D. Potenciál má nasazení této technologie v pro ni nových oblastech lidské činnosti, např. ve vědeckých a lékařských aplikacích, nebo při hraní počítačových her.[27] [29]
Obr. 13: Brýle s polarizovanými skly sloužící v kinech se systémem Dolby-3D Zdroj: http://www.3d-kinobrille.ch/
Výhodou metody polarizace je lepší kvalita trojrozměrného obrazu. Na rozdíl od metody anaglyfu neztrácí barevné informace a barevné podání obrazu je velmi věrné. Vytvořený obraz je lidskému oku bližší a nepůsobí na diváka rušivým dojmem. [27]
Nevýhodou metody polarizace světla je její finanční náročnost. Je potřeba investovat do dvojice speciálních projektorů a do stříbrného plátna. Cena brýlí s polarizovanými skly je větší než u brýlí s barevnými anaglyfickými skly. Rozdíl v ceně je přibližně 30 % na každý kus brýlí. Použití dvou projektorů je náročné na jejich vzájemnou synchronizaci. Špatně synchronizované projektory snižují divákův zážitek z projekce a mohou dokonce způsobit slabé zdravotní obtíže, jako např. bolest hlavy či nevolnost.[27]
3.1.4 Metoda LC brýlí
Metoda LC (liquid crystal, tekutých krystalů) brýlí je nejnovější z popisovaných metod reprodukce trojrozměrných obrazů. Jsou při ní použity speciální brýle, jejichž skla jsou pokryta materiálem z tekutých krystalů. Brýle bývají označovány jako aktivní brýle, či jako LCD brýle. Materiál skel LC brýlí je za normálních okolností průhledný. Při elektrické stimulaci se stává neprůhledným. Počítačová obrazovka či televize v rychlém sledu za sebou střídavě vysílá obrazy pro levé a pro pravé oko. Brýle jsou s obrazovkou synchonizovány pomocí infračerveného spojení, bluetooth spojení, radiového spojení či pomocí kabelu. Synchonizované brýle postupně zatemňují skla před očima. Když obrazovka vysílá obraz pro pravé oko, tak je levé sklo zatemněno. Pokud vysílá obraz pro oko levé, tak je zatemněno pravé sklo. Interval, po který zůstává obraz pro oko zobrazený, závisí na použitém zařízení. Pohybuje se mezi 1/30 až 1/60 sekundy. Protože je používaný interval krátký, tak mozek nezaznamená, že jsou mu posílány dva obrazy střídavě, a spojuje je do jednoho trojrozměrného vjemu. [30] [31] [32]
Technologie LCD brýlí nachází své uplatnění ve velkých kinosálech. Více než 1000 kin na celém světě používá technologii XpanD 3D, která je založena na LC principu. Využívá se také přímo v domácnostech. LCD 3D brýle dostupné cenové kategorie má ve své nabídce každý z renomovaných výrobců spotřební elektroniky. Společnost Nvidia, výrobce grafických karet pro domácí počítačové sestavy, nabízí 3D LCD sadu pro běžné domácí počítače. Obsahuje 3D LCD brýle, synchonizační vysílač a speciální softwarový grafický
ovladač. Sada ke svému správnému fungování potřebuje monitor, jehož obnovovací frekvence je 120 Hz (Hertzů). Standardní LCD monitory pracují na menší frekvenci a proto není možné jejich použití. [31] [32]
Obr. 14: LCD brýle Nvidia 3Dvision spolu s vysílací základnou, zajíštující synchonizaci s monitorem
Zdroj: http://pcformat.techradar.com/blog-entry/3d-tech-pc-perspective-19-05-10
Výhodami metody LCD brýlí je přesnost barevného podání obrazu a divácký komfort.
Vady obrazu se při ní nevyskytují. Nevýhodou metody byla donedávna funkčnost pouze při použití CRT (Cathod Ray Tube) monitorů. Některé nové ploché monitory však již mají dostatečně malou dobu obnovení (refrest rate) na to, aby mohly pracovat s LC 3D systémy.
[31] [32]
Skla brýlí propuštějí pouze část světla a obraz se divákovy zdá tmavší. Pokud chceme získat při použití LC brýlí obraz odpovídající svému standardnímu 2D protějšku, použitá zařízení musí být schopna pracovat s dvojnásobným frame rate (počet snímků za sekundu, jednotka FPS). To je nejvíce citelné v případě, kdy je obraz generován v reálném čase hardwarem počítače – např. při vykreslování moderních 3D počítačových her. [31] [32]
Nejvíce signifikantním rozdílem oproti dříve zmíněným metodám je cena brýlí. Cena brýlí použitelných s 3D televizemi závisí na značce výrobce a jejich parametrech. Pohybuje se mezi 1 500 a 3 000 Kč za kus. Sada Nvidia 3D pro použití s počítačem stojí 3 500 Kč až 4 500 Kč v závislosti na místě nákupu. Koupě 120 Hz LCD monitor přijde na dalších minimálně 7 000 Kč. [31]
3.1.5 Bezpomůckové prohlížení 3D záznamů
Stereoskopické záznamy lze prohlížet také pomocí metod, které nevyžadují žádné speciální pomůcky či brýle. Obraz poskytovaný bezpomuckovými metodami obvykle není tak kvalitní, jako je tomu u výše zmíněných metod. Zároveň s sebou přinášejí určité nepohodlí pro jejich uživatele. Proto obvykle nejsou vhodné na delší užívání, jedná se spíše o metody jak docílit 3D obrazu jednou za čas. Nejčastěji využívanými bezpomůckovými stereoskopickými metodami jsou:
autostereogram,
holografie,
lentikulární tisk,
wiggle stereoscopy.
První z bezpomůckových metod je metoda autostereogramu. Kořeny metody autostereogramu sahají až do 1. poloviny 19. století. Nejjednoduší verze autostereogramů mají podobu pravidelně se opakujícího vzoru (tapetové autostereogramy – wallpaper autostereograms). Složitější jsou tvořeny sítí malých teček, jejichž poloha na obrazu je přesně vypočítána tak, aby při určitém specifickém druhu pohledu tvořily trojrozměrný obraz (random dot autostereogram – stereogram z nepravidelně umístěných teček). Existují dva způsoby, jak tyto záznamy prohlížet. Metodou skřížených očí (cross-eyed) a metodou rovnoběžného pohledu (wall-eyed method). Dané metody se liší v tom, v jaké poloze musí být oči, aby mozek zaznamenal 3D obraz. [33]
Obr. 15: Random dot autostereogram – při správné konvergenci očí je možno vidět závodní auto
Zdroj: http://www.eyecanlearn.com/random_dot_stereogram.htm
Člověk, který chce vidět trojrozměrný obraz metodou autostereogramu, se musí naučit ovládat konvergenci svých očí. Obraz, poskytovaný autostereogramy, je obvykle pouze jednoduchý. Omezuje se na základní tvary předmětů. Nehodí se k záznamu dynamických obrazů a omezené je jejicí využití i při reprodukci fotografií. Metoda autostereogramu namahá oči a oční svaly, které brzy začínají bolet. [33]
Další metodou záznamu a bezpomůckového prohlížení 3D záznamu je holografie.
Teoretické základy metodě holografie položil roku 1948 Dennis Gabor. Její rozvoj byl ale umožněn až po vynálezu lazeru v roce 1960. Pomocí lazeru je na dvourozměrný nosič uložena informace o intenzitě světla v každém bodě obrazu, ale také o fázi tohoto světla.
Pro správné zobrazení zaznamenaného předmětu je nutné hologram osvětlit koheretním svazkem paprsků (tzv. rekonstrukční svazek). Hologramy je možno vytvořit i pomocí lisování. Výsledkem jsou duhové hologramy, které mají nejčastěji podobu plastem pokryté nálepky. Takto zhotovené hologramy díky své unikátnosti a možnosti pozorování i pod bílým světlem slouží jako zabezpečovací prvky bankovkám, důležitým dokumentům a výrobkům. Holografie nachází své uplatnění také při uchování digitálních dat. [34] [35]
Kromě zmíněných metod existují i další metody, které se však využívají poměrně zřídka.
Jejich uplatnění není tak rozsáhlé jako u metod předcházejících. První z takových metod je metoda lentikulárního tisku. Dokumenty lentikulárně vytištěné navozují pocit 3D vjemu tím, že se mění podávaný obraz v závislosti na pozorovacím úhlu pozorovatele vzhledem k dokumentu. Další méně používanou metodou je metoda třesoucích se obrazů (wiggle stereossopy). Klasickým příkladem použití této techniky je jednoduchý animovaný obraz ve formátu GIF. V něm se v rychlém sledu zasebou střídá obraz pro levé a pro pravé oko.
[21]
3.2 Statické 3D záznamy
Statickými 3D záznamy rozumíme takové záznamy, které zobrazují pouze jeden obraz, který se v průběhu času nemění. Klasickým zástupcem může být např. stereofotografie, zachycující reálnou scénu či scénu uměle vytvořenou. Statické záznamy jsou určeny k prohlížení na zobrazovacím zařízení (např. monitor), nebo k tisku.
3.2.1 Formáty obrazu a tisk
Neexistuje norma, která by se zabývala formátem 3D fotografií. Autor může tedy jejich formát volně přizpůsobit účelu, pro který je vytváří. Nejčastěji používanými formáty obrazu jsou formáty JPEG a PNG. Pro obrazy využívající metodu side-by-side byly vytvořeny formáty PNS (PNG stereo, koncovka .pns) a JPS (JPEG stereo, koncovka .jps).
Rozlišení i poměr stran závisí pouze na vůli autora a zamýšleném účelu obrazu. [21] [36]
Pokud je statický 3D záznam určen k tisku, měl by mít rozlišení alespoň 300 DPI (dots per inch). DPI určuje, kolik obrazových bodů (pixelů) se vejde do délky jednoho palce (2,54 cm). Vertikální a horizontální rozlišení v pixelech závisí na požadované velikosti výsledného vytištěného dokumentu. [37]
3.3 Dynamické 3D záznamy
Dynamickými 3D záznamy jsou záznamy, které v průběhu času vykazují změny a jimi poskytovaná informace se v čase mění. Nejběžnějšími zástupci jsou filmy a kratší videozáznamy. Dynamické záznamy mohou obsahovat obrazy reálného světa, ale také klasické či počitačově tvořené animace.
3.3.1 Televize s 3D zobrazením
Televizory, které umí zobrazit 3D záznamy jsou novinkou několika posledních let. Jejich prodejnost a obliba u nakupujících stále stoupá. Existuje řada metod a formátů záznamu 3D obrazu. Televizemi jich je v součastné době podporováno sedum. 3D televize nejčastěji podporují následující formáty:
Sekvenční 3D formát
Side-by-side formát
Top-bottom formát [38] [39] [40]
Sekvenční 3D formát je standardem pro filmy, které jsou uloženy na Blu-ray discích. 3D film je na Blu-ray disku uložen ve dvou odlišných verzích – pro levé oko a časově posuntý
pro pravé oko. Oba snímky jsou na disku uloženy ve Full HD rozlišení (1920 × 1080 obrazových bodů). Přicházejí za sebou na obrazovku a střídají jeden druhý. Pokud používaná televize nepodporuje 3D obraz, použije se pouze jeden z těchto datových toků.
Proto jsou 3D Blu-ray filmy kompatibilní s 2D televizemi. [38] [39] [40]
Side-by-side formát byl podrobně popsán v kapitole 3.1.1. Stal se základním formátem pro 3D televizní vysílání. Jeho obdobou je formát top-bottom, jenž je dalším standardem pro 3D televizní vysílání. Pracuje na podobném principu jako side-by-side. Liší se tím, že jednotlivé obrazy pro obě oči nejsou uloženy vedle sebe, ale nad sebou. Side-by-side je používán pro televizní vysílání v rozlišení 1080i (označováno také jako HDTV – Full HD, 1920 × 1080 obrazových bodů, prokládané). Top-bottom se používá pro televizní vysílání v rozlišení 720p (HDTV – HD Ready, 1280 × 720 obrazovách bodů, progresivní). Reálné rozlišení 3D televizního dokumentu je poloviční ve směru, ve kterém jsou obrazy uloženy.
U side-by-side je poloviční horizontální rozlišení, u top-bottom je poloviční vertikální rozlišení. V evropě se pro 3D televizní vysílání častěji používá side-by-side formát. [38]
[39] [40]
Pro navození 3D efektu u TV diváků se používá i metody anaglyfu. Anaglyficky jsou vysílány celé pořady, či jejich části. Divák nepotřebuje speciální 3D televizi. Stačí, že je vybaven anaglyfickými brýlemi se skly v příslušných barvách. [38] [39] [40]
Obr. 16: Trojrozměrná televize Toshiba 3D REGZA GL1
Zdroj: http://www.hitechreview.com/tv/lcd/toshiba-uveils-glasses-less-3d-regza-gl1-lcd-tv/27943/
Většina prodávaných 3D televizorů potřebuje ke své správné funkčnosti speciální brýle.
Obvykle se s televizemi dodávají 3D LCD brýle. Pouze výrobce LG prodává televizory s pasivními brýlemi. 3D televizory fungující bez brýlí byly uvedeny na výstavách již v roce 2008. Společnost Toshiba začala koncem roku 2010 v Japonsku prodávat model Glasses-less 3D REGZA GL1. Ten je však poměrně drahý, disponuje malou uhlopřičkou obrazovky (20 palců či 12 palců) a jsou s ním spojena i další omezení (např. omezený úhel pohledu či sledovací vzdálenost cca 90 cm). [39] [40] [41]
3.3.2 Kina s 3D zobrazením
Myšlenka kina, které umí divákovi zprostředkovat 3D zážitek neni nová. V součastnosti se používá několik různých řešení, jenž se od sebe liší požadavky na vybavení kinosálu a kvalitou stereoskopického obrazu. Technicky nejmíň náročné je promítání filmu metodou anaglyfu. Může být aplikováno ve všech kinech, ale divákův požitek z představení je v porovnání s ostatními metodami horší. Kvalitnější alternativu představují moderní digitální 3D kina. [15]
V současné době v České republice existuje 144 kinosálů zdigitalizovaných podle standardu DCI (Digital Cinema Initiatives) a jejich počet stále narůstá. DCI je společenství nejvýznamějších filmových společností, mající za úkol ustanovení a dokumentaci otevřeného standardu pro moderní digitální kina. V tomto počtu jsou zastoupeny nejen digitální kina s jedním sálem (na obr. 17 zeleně vyznačené), ale také vícesálové digitální multiplexy (na obr. 17 modře a červeně vyznačené). Ze 144 digitálních kinosálů je 128 schopno promítat 3D filmy. Při promítání jsou využívány 4 technologie:
Dolby 3-D,
MasterImage,
Real-D,
XpanD.
Rozmíštění digitálních kin je rovnoměrné po celé České republice. [42]
Obr. 17: Kina dle digitálního standardu DCI v České republice Zdroj: DIGI o.s.
První z používaných stereoskopických technologií promítání v českých kinech je systém Dolby 3-D. Dodáván je společností Dolby. K oddělení obrazu pro levé a pravé oko využívá odlišení vlnových délek vysílaných obrazů. Divácké brýle jsou vybaveny speciálně polarizovanými filtry. Jedná se tedy o pasivní brýle. Výhodou Dolby 3-D brýlí je jejich menší pořizovací cena než u LC brýlí a nízká náchylnost k poškození. Mají menší rozměry a hmotnost. Do kinoprojektoru je instalován rotační dvousložkový filtr, jenž je ovládán speciálním modulem propojeným s kinoserverem. Systém Dolby 3-D je použitelný i v kombinaci s klasickým bílým plátnem. Umožňuje zachování 2D projekce z digitálního i klasického 35mm filmového projektoru. Proto je systém často používán v jednosálových kinech. [43]
Dalším používaným technickým řešením v 3D kinech je systém MasterImage. Systém MasterImage má původ v Korei. Pro rozlišení obrazu pro pravé a levé oko využívá kruhové polarizace. Zařízení se umisťuje před objektiv projektoru. V tomto zařízení rotuje speciální kotouč, který obraz polarizuje do potřebné podoby. Kotouč je propojen a synchonizován s kinoserverem. Divácké brýle fungují na pasivním principu. Jsou tedy vybaveny speciálními polarizovanými filtry. Cena MasteImage filtrů je nízká. Dovoluje poskytovat divákům i jednorázové brýle. Kinosál musí být vybaven speciálním plátnem s postříbřeným povrchem typu SilverScreen. Existuje možnost nainstalovat stahovatelné postříbřené plátno před klasické bílé plátno a tak umožnit i promítání klasických 2D filmů v sále. Toto řešení je ale pro provozovatele kina finančně náročnější. Proto je systém
používán převážně v digitálních multiplexech, kde může být sál vyhrazen pouze pro promítání 3D filmů. [43]
Dalším používaným technickým řešením je systém Real-D, jenž využívá stejného principu kruhové polarizace jako systém MasterImage. Jsou s ním spojeny stejné výhody a omezení jako se systémem MasterImage. Je použitelný pouze s projekčním systémem Sony CineAlta 4K. Obraz při použití Real-D systému vzniká samostatnou projekcí dvou obrazů.
Kinosál musí být vybaven plátnem SilverScreen. K užívání systému Real-D se váže povinnost licenčních poplatků, což celý systém prodražuje. [43]
Systém XpanD je jediným používaným systémem, který využívá aktivních LCD brýlí.
Brýle jsou s projektorem synchonizovány infračerveným světlem. XpanD brýle jsou ze všech používaných systémů největší, nejtěžší a zároveň nejdražší. Jsou nejvíce náchylné na poškození. Aktivní filtry se mohou poškodit např. i neopatrnými pokusy o vyleštění skel.
Poskytovaný výsledný obraz je velmi kvalitní. V kinosálech se systémem XpanD se používá klasické bílé plátno. [43]
4 Tvorba umělé 3D reality a objektů
Ne vždy byly na fotografie a později na filmy zaznamenávány pouze reálně existující obrazy. V průběhu let byla vytvořena řada animačních technik, navazující především na malířskou tradici. S nástupem moderních počítačů dostali animátoři do svých rukou nový nástroj. Ten jim umožnil vytvářet libovolné objekty či světy. Grafika vytvářená pomocí počítače dostala zkratku CGI (computer-generated imagery). [44]
Obr. 18: Fotorealistická počítačová vizualizace Rakouské korunovační koruny (programy Blender a LuxRender)
Zdroj: Martin Lubich., dostupné na http://loramel.cgsociety.org/gallery/744984/
Autoři filmů, reklam a fotografií potřebují ukázat objekty, které ve skutečnosti neexistují, nebo které jsou pro ně nedostupné. Počítače umožňují takové objekty realisticky vymodelovat a vykreslit (viz obr. 18). CGI se využívá v kinematografi, reklamě, při architektonické vizualizaci naprojektovaných staveb, ale např. také v umění.[44]
Následující kapitoly popisují historii CGI technik. Ukazují kroky při jejich aplikaci a představují nejčastěji používané softwarové nástroje součastnosti.
4.1 Historie počítačově generované grafiky a animace
Historie počítačově generované grafiky byla spojena s potřebami filmových tvůrců. Byl to film, který zpočátku nejvíce podněcoval vývoj CGI. Jedno z prvních využití počítačové animace ve filmu přinesl rok 1973. V tomto roce byl natočen za pomoci počítačů scifi snímek Westworld. Westworld byl následován v roce 1976 filmem Futureworld, ve kterém byly použity počitačem generované obrazy rukou a obličeje. Autory byli studenti univerzity v Utahu Edwin Catmull a Fred Park. Edwin Catmull je současným prezidentem animátorských studií Walta Disneye a Pixaru. V následujících letech byla CGI technologie použita např. v celosvětově úspěšných scifi filmech Star Wars (Hvězdné války, 1977) a Alien (Vetřelec, 1979). Vytvořené CGI efekty nevypadaly fotorealisticky. I přesto byly použity ve značném počtu filmů. [45] [46] [47]
S vývojen počítačů se zlepšovala i kvalita počítačové animace. Zlom přinesl scifi film The Abyss (Propast, 1989). V Propasti byla použita pětiminutová sekvence obsahující fotorealistické zachycení počítačově generovaných vodních efektů. Použití CGI efektů se ve filmech americké produkce stalo běžnou záležitostí. Nahradilo stop motion animaci.
Stop motion aniamce bývá česky označována jako pookénková či fázová animace. [45]
[46] [47]
Prvním kompletně CGI vytvořeným filmem byl film studií Pixar a Walt Disney Toy Story (Příběh hraček, 1995). Prvním výhradně počítačově animovaným filmem, který byl promítán v kinech za pomocí 3D brýlí byl dvanáctiminutový snímek Marvin The Martian in the Third Dimension (1996). [45] [46] [47]
Vývoj počítačů a počítačových programů měl za následek rozšíření počítačově generované grafiky. V současnosti CGI grafiku může vytvářet každý, kdo vlastní osobní počítač a potřebný software. Internet umožnil rozvoj komunit lidí, kteří mají o CGI zájem. [47]
4.2 Všeobecný postup tvorby počítačově generované 3D grafiky
Počítačová 3D grafika jsou trojrozměrná geometrická data. Z nich je možné vytvořit grafický výstup – statický obraz či animaci. CGI výstupy mohou být dvourozměrné
i trojrozměrné. Postup při tvorbě 3D počítačové grafiky není pevně určen. Každý grafik používá odlišné metody, programy a postupy. Častým jevem je rozdělení jednotlivých etap tvorby 3D scény mezi více grafiků. Postup výroby 3D CGI grafiky lze rozdělit na několik částí:
přípravnou část,
modelování,
texturování a tvorbu materiálů,
nasvícení a uspořádání scény,
animování (pokud má být výstupem animace a ne pouze statický obraz),
renderování ,
postprocessing. [44] [47]
Než se grafik pustí do tvorby 3D grafiky, musí dostatek času věnovat přípravné fázi. Při přípravné fázi by měl být shromážděn dostatek údajů o vytvářeném objektu. Dále je potřeba stanovit cíle a časový harmonogram práce. Stanovuje se vizuální podoba finálního díla. Mnoho grafiků za tímto účelem vytváří ručně malované nákresy a plány. Nákresy pomáhají v dalších etapách práce na CGI grafice. [44] [47]
První etapou, ve které 3D grafik začíná využítat počítače, je modelování jednotlivých objektů. Objekty jsou později použity v konečné scéně. Existuje řada modelovacích programů a technik. Výsledkem modelování jsou matematické reprezentace 3D objektů.
CGI 3D modely se skládají z geometrických útvarů – bodů, čar, trojúhelníků a dalších útvarů. Body se nazývají vertexy. Vertexy mají určené základní parametry – umístění v prostoru, vazby na další vertexy a měřítko. Při tvorbě modelu objektů se nejčastěji využívá jedné ze čtyř modelovacích metod:
polygonálního modelování (pomocí bodů a čar tvořící tzv. mesh),
NURBS modelování (pomocí křivek),
modelování pomocí primitiv (objekty skládány ze základních primitiv – např. krychlí, koulí, kuželů atd.),
digitálního sculptingu (dalo by se přeložit jako sochařina či sochání, ale obvykle se používá anglický název). [44] [47]
Když je vytvořen objekt, musí mu být definován materiál a přiřazeny textury. Vizuálně nasimulovat lze každý existující materiál. Mezi běžně určované parametry materiálu patří:
barva,
průhlednost,
odrazy světla,
barva odraženého světla.
K tvorbě komplexních materiálů (např. dřevo) slouží textury. Textury jsou bitmapové obrázky, které jsou přiřazeny jednotlivým plochám objektu. [44] [47]
Další fází je uspořádání objektů do požadovaných poloh na scéně. Je nutné do scény umístit zdroje osvícení, aby při renderingu nebyl výsledkem pouze tmavý obraz. Na základě poloh světel jsou vypočítávány odrazy na materiálu objektů a jejich stíny. Osvícení scény zásadně ovlivňuje celkový vzhled renderů. Do scény je možno umístit několik druhů světel:
bodové světlo,
plošné světlo,
světlo imitující slunce,
objekt, jenž je emitorem světla.
Často jsou jednotlivé druhy světel ve scéně kombinovány. Výsledkem je velmi realistický výstup z renderingu. [44] [47]
Pokud má být výsledkem práce animace, je potřeba celou scénu naanimovat. Animací rozumíme nastavení pohybů objektů ve scéně, pohyby virtuální kamery a určení interakcí mezi objekty na scéně. Dále se určují vlastností objektů v animaci – např. změna barvy objektů. Nejčastější formou animování je keyframing. Při keyframingu jsou určeny tzv.
klíčové snímky (key=klíč). Pro každý klíčový snímek jsou definovány vlastnosti objektů ve scéně v daný čas. Softwarem jsou automaticky vytvořeny plynulé přechody mezi klíčovými snímky. [44] [47]
