...В колонках гремят выстрелы, на мониторе расцветают взрывы и падают тела поверженных врагов. Гильзы летят во все стороны, и кровь хлещет, все по законам физики. Казалось бы, обыденная ситуация? Но вот вы кидаете осколочную гранату к супостату, спрятавшемуся за укрытием. Из-за неверного расчета игрока «подарочек» ударяется о препятствие и отлетает назад. Причем весьма своеобразно: граната проходит сквозь плоскость монитора и останавливается практически перед носом у игрока. Раздается взрыв, а следом за ним наступает смерть. Игровая, хотя по ощущениям она должна была быть реальной. Пора лечиться? Нет, момент для посещения психушки, впрочем, как и для отказа от игр, еще не наступил. Все нормально. Честно.
Особенности восприятия
Описанная ситуация — это не порождение больной фантазии, взращенной sci-fi-романами. То, что многим покажется невозможным, на деле вполне реально. Более того, технологии, позволяющие приобщиться к подобным чудесам, существуют уже достаточно давно, а в сфере компьютеров они в данный момент переживают второе рождение. Впрочем, говоря по правде, никаких чудес здесь и близко нет. Превратить двухмерную плоскость дисплея в выпукло-вогнутое нечто по своему вкусу, увы, нельзя. Создать из воздуха осколочную гранату и поднести ее к пользователю каким-нибудь «убергиперполем» тоже не представляется возможным. А вот заставить игрока подумать, что пространственные изменения происходят наяву, — это запросто. Достигается этот обман с помощью так называемых стереоскопических технологий.
Прежде чем рассуждать о принципах, позволяющих обмануть игрока, разберемся, почему этот обман вообще возможен. Обыденная ситуация номер два: мы ходим по скульптурной галерее и набредаем на какую-нибудь красивую эффектную статую, скажем, на излучающую пафос горгулью. Налюбовавшись вдоволь на эту красоту, мы достаем фотокамеру и делаем снимок. Позже мы подключаем аппарат к компьютеру, делаем двойной клик на файле с фотографией и лицезреем полученное изображение. Красиво, но где же объем? Очаровательная тварь размазана по гладкой поверхности монитора, и созерцать ее уже не так приятно, как вживую. Перефокусировки глаз при просмотре разных частей тела горгульи не происходит, а протянуть к ней руку и ощупать тушку нет никакого желания — она ведь теперь плоская. И так повсюду. Фильмы, фотографии, игры — все это лишь плоские, псевдообъемные кадры. Мы с этим миримся, но делать это совсем не обязательно.
В реальной жизни мы чувствуем, что объекты объемны, по одной простой причине: левый и правый глаза видят не одно и то же. Они находятся на определенном расстоянии друг от друга, а следовательно, и объекты ими воспринимаются с разных ракурсов. Мозг обрабатывает информацию, получаемую от каждого глаза, и совмещает воедино, в результате чего у нас в сознании возникает трехмерная картинка, а не просто фотография. При взгляде на монитор оба глаза видят одинаковое изображение, так что мозг интерпретирует увиденное однозначно: картинка плоская. Этот механизм восприятия служит нам верой и правдой еще с тех времен, когда мы были обезьянами, так что его не обманешь. А вот обмануть глаза нам под силу. Если на левый зрачок будет попадать изображение сцены с одного ракурса, а на правый — с другого, то плоский кадр будет воспринят нами как трехмерный. Этим свойством можно и нужно пользоваться.
Простое решение
Дефекты зрения корректируют очками: с их помощью неправильное восприятие окружения становится правильным. Чтобы сделать правильное восприятие неправильным, то есть заставить глаза считать плоскую картинку объемной, также можно использовать специальные очки.
Существует несколько разновидностей стереоскопических очков, но ни одни из них не создают эффект трехмерности сами по себе: для их работы требуется либо дополнительное программное обеспечение, либо специально подготовленный графический материал, либо особые дисплеи. А в определенных случаях — все сразу.
Цветовое разделение
Самый простой пример стереоочков — это оправа с двумя кусками прозрачного подкрашенного пластика. Как правило, одна «линза» окрашивается в красный цвет, а другая — в синий. Значительно реже используется комбинация красного и зеленого цветов. При просмотре изображений куски пластика выступают в роли светофильтров, то есть они не пропускают оттенки того цвета, в который они окрашены. Если подготовить картинку специальным образом, то можно добиться эффекта, при котором левый и правый глаза будут видеть разные изображения.
Себестоимость двухцветных очков мизерная, но и польза не велика. Так, о качественной цветопередаче в данном случае не может идти и речи. Кроме того, стереоэффект от применения очков этого типа невелик, а вот глаза от них устают очень быстро, да и головные боли при длительном использовании практически неизбежны. Подобные очки сегодня можно встретить в старых 3D-кинотеатрах, но в компьютерной сфере принцип цветового разделения никогда не был популярен, и сегодня им практически никто не пользуется.
Виртуальная реальность
Второй способ обмана зрения подразумевает использование так называемых шлемов виртуальной реальности. Как известно, в них для каждого из глаз предназначен собственный дисплей, и ничто не мешает подавать на эти экраны разные изображения. В конце прошлого века многие были уверены, что будущее компьютерных игр связано именно с подобными устройствами. Надежды на эти шлемы возлагались колоссальные: казалось, что стоит еще немного улучшить экраны и уменьшить цену устройств, и они станут неизменными спутниками любителей трехмерных миров. Увы, не сложилось. Сделать экраны малого размера, обладающие высоким разрешением, чрезвычайно сложно, так что комфорта в играх шлемы по-прежнему не обеспечивают, а их цена и не думает опускаться до разумных пределов. Словом, это устройства для очень узкого круга пользователей, и игроки в него не входят.
Реально ли добиться с помощью стереоскопических эффектов ситуации, когда объекты будут «вылетать» из монитора, оказываясь между плоскостью экрана и глазами пользователя? Более чем реально. Убедиться в этом несложно — специально записанные демонстрационные ролики используют этот эффект на полную катушку. Однако в играх наблюдается несколько иная ситуация: весь стереоэффект обычно сводится к удалению объектов «вглубь» экрана. Связано это с тем, что производителям игр в большинстве своем плевать на 3D-технологии, а реализовать «вылетающие» из дисплея объекты только лишь с помощью драйверов чрезвычайно сложно.
Мы искренне надеемся, что ситуация вскоре изменится, ведь NVIDIA всегда умела оказывать влияние на разработчиков игр, а именно эта компания больше всего заинтересована в продвижении стереоскопических технологий.
Поляризационное разделение
У жидкокристаллических мониторов есть одно неотъемлемое, но редко упоминающееся свойство — они дают поляризованный свет. Убедиться в этом несложно. Для этого достаточно поднести к монитору любой поляризатор, например, соответствующие солнцезащитные очки, и повернуть его вокруг своей оси. В одном из положений вы увидите лишь черный экран, а в другом поляризатор будет абсолютно прозрачен. Казалось бы, бесполезное свойство, но именно оно обуславливает существование еще одной стереотехнологии.
Разберем принцип ее работы на примере 3D-мониторов Zalman. Ключевая особенность этих дисплеев — специальная поляризующая пленка, нанесенная на матрицу. Сделано это таким образом, что направление поляризации для каждой последующей строки пикселей отличается на 90 градусов. Невооруженный взгляд пленки не замечает вообще. Если надеть обычные поляризованные очки, то каждая вторая строка пикселей окажется полностью черной. Ну а если взять специальные очки из комплекта поставки, у которых направление поляризации для левой и правой линз отличается на 90 градусов, то один глаз будет видеть только четные строки, а второй — только нечетные. Таким образом, если на экране появится изображение, в котором каждый из двух ракурсов одной сцены будет выводиться исключительно на месте четных или нечетных строк, то мозг воспримет его как трехмерное.
В целом технология поляризационного разделения дает хороший стереоэффект и не наносит непоправимого удара по цветопередаче, однако у нее есть один существенный недостаток: эффективное вертикальное разрешение монитора при включении стереорежима снижается вдвое.
Естественно, сборка трехмерных игровых кадров невозможна без специального программного обеспечения, а это вносит существенные ограничения на использование стереомониторов. Например, все те же Zalman Trimon могут работать исключительно с видеокартами NVIDIA. Кроме того, хотя эти трехмерные дисплеи и получили на сегодняшний день наибольшее признание среди игроков, даже они демонстрируют хорошие результаты далеко не во всех играх. Виной тому слабая поддержка 3D-мониторов со стороны разработчиков игр, и лишь старания компании NVIDIA, давно экспериментирующей со стереодрайверами, делают эти дисплеи жизнеспособными.
Поочередное затемнение
На самом деле в компьютерной сфере уже был период, когда стереотехнологии пользовались достаточно большой популярностью среди игроков. Речь идет о конце девяностых и начале двухтысячных годов — именно в этот период ЭЛТ-мониторы с высокой частотой развертки были на пике популярности. При чем здесь это? Именно такие дисплеи, способные воспроизводить 100-120 кадров в секунду, делают возможным существование стереоэффекта, основанного на принципе поочередного затемнения глаз. С помощью одного лишь монитора никакой трехмерности, конечно же, добиться не удастся — в тандеме с ним должны работать специальные очки, поочередно блокирующие обзор для левого и правого глаза с той же частотой, на которой работает дисплей. При использовании данного метода все четные кадры, выводимые на экран, предназначаются для одного глаза, а нечетные — для другого. Если синхронизировать моменты затемнения и просветления линз в очках со сменой кадров, то каждый глаз будет видеть только те кадры, что предназначены для него, а это нам как раз и надо.
Преимущества подобного подхода очевидны. Например, кроме очков затворного типа, себестоимость которых не так уж и велика, игроку не требуется никакого специального оборудования. Кроме того, метод поочередного затемнения исключает проблемы искаженной цветопередачи или низкого вертикального разрешения. Неудивительно, что подобные очки в свое время продавались во многих компьютерных магазинах, а компания ASUS даже включала их в комплект поставки видеокарт серии Deluxe.
Увы, рост популярности жидкокристаллических дисплеев сыграл с перспективной технологией злую шутку. Так уж сложилось, что традиционные ЖК-мониторы имеют частоту развертки 60 Гц, а этого явно недостаточно для нормального использования очков с поочередным затемнением. В результате чудесная технология была надолго предана забвению. Однако совсем недавно она буквально восстала из мертвых, и благодарить за это следует производителей ЖК-мониторов, представивших модели с частотой развертки 120 Гц, а также компанию NVIDIA, которая незамедлительно этим воспользовалась. Речь идет о стереоскопических очках GeForce 3D Vision, анонсированных в начале этого года. Их мы просто обязаны рассмотреть подробнее.
Второе рождение
GeForce 3D Vision — это комплект из беспроводных очков затворного типа, инфракрасного передатчика и огромного числа кабелей. Если в прошлом производители старались максимально удешевить очки, сделав их доступными для всех, то NVIDIA решила сделать ставку прежде всего на удобство использования и стильный дизайн.
Сами очки внешне практически не отличаются от солнцезащитных: линзы у них чуть затемнены, да и оправа отнюдь не безобразна. В комплекте поставки нашлось место и для пары сменных резиновых накладок для переносицы, так что любой пользователь может настроить очки под себя. Поскольку для работы GeForce 3D Vision не требуются провода, в правой дужке располагается аккумулятор, которого хватает на 40 часов непрерывной работы, а также разъем mini-USB для его зарядки. В роли передатчика, транслирующего сигналы между компьютером и очками, выступает небольшая усеченная пирамидка черного цвета. На ней располагается колесико, позволяющее аппаратно регулировать глубину стереоэффекта — раньше это делалось исключительно программными методами.
Как уже упоминалось ранее, без ЖК-монитора с частотой развертки 120 Гц от очков не будет толку. Это, пожалуй, главный фактор, тормозящий распространение GeForce 3D Vision. Дело в том, что такая частота, по сути, избыточна, ведь и скромные 60 Гц всех устраивают. При этом скоростные дисплеи стоят намного дороже обычных, так что мало у кого они имеются. Поэтому игрокам, желающим воспользоваться очками от NVIDIA, практически наверняка придется потратиться еще и на новый дисплей, а обойдется он как минимум в 500 $. Если вы все-таки решитесь на это, то обязательно просмотрите на сайте NVIDIA список мониторов, совместимых с GeForce 3D Vision.
Что касается программной части, то здесь тоже есть ряд ограничений. Так, на данный момент стереодрайвера существуют только в версии для Windows Vista. Приверженцы старой доброй Windows XP остались не у дел. А вот совместимость с играми, напротив, радует. Список тайтлов, поддерживаемых драйвером, весьма внушителен — в него входит несколько сотен популярных и не очень игр.
И еще: для нормальной работы GeForce 3D Vision потребуется достаточно мощная видеокарта от NVIDIA, ведь при включении стереорежима значение fps падает более чем в два раза.
Без лишних инструментов
Из сказанного выше можно сделать вывод, что ношение очков — это обязательное условие для наблюдения стереоэффектов. На самом деле это не так. Очки позволяют добиться качественного 3D за небольшую цену, но сегодняшние технологии позволяют обходиться и без них. Уже не первый год существуют так называемые автостереоскопические экраны, способные создавать эффект трехмерности сами по себе, без дополнительных инструментов.
В чем-то автостереоскопические дисплеи похожи на 3D-экраны с поляризационным разделением — в данном случае на ЖК-матрицу также наносится специальная пленка, только принцип работы у нее несколько иной. Фактически она представляет собой совокупность цилиндрических вертикальных микролинз, которые преломляют исходящий от дисплея свет таким образом, что четные колонки пикселей видны только одному глазу, а нечетные — только другому.
Идеальный вариант? Вовсе нет. В теории технология выглядит красивой и практичной, но на деле использование таких дисплеев связано с рядом сложностей. Главным недостатком этого метода можно считать тот факт, что даже незначительные движения головы зрителя в горизонтальном направлении приводят к разрушению стереоэффекта — картинка для левого глаза будет попадать в правый и наоборот. Кроме того, зона, из которой можно наблюдать полноценные трехмерные изображения, у таких дисплеев мала. Нельзя садиться слишком близко к экрану или слишком далеко от него, большие отклонения местоположения зрителя по горизонтали также недопустимы. Словом, если владелец такого устройства захочет качественного стереоэффекта, то ему придется сидеть в строго фиксированном месте и по возможности не шевелиться.
В более продвинутых моделях автостереоскопических дисплеев используются технологии слежения за местоположением глаз пользователя и системы смены местоположения линз в режиме реального времени. Такой подход дарует зрителю больше свободы для движений, но стоимость подобных мониторов достигает колоссальных значений.
Однако на этом минусы не заканчиваются: как правило, из-за встроенных микролинз такие мониторы не в состоянии воспроизводить обычное двумерное изображение, так что владельцу подобного устройства придется использовать его как дополнительный дисплей, а не как основной. Конечно, есть и исключения: некоторые дорогие мониторы обладают отключаемыми оптическими барьерами, но куда выгоднее купить качественный 2D-монитор, чем доплачивать за эту возможность.
Последний недостаток автостереоскопических экранов очевиден: он выражается в сниженном горизонтальном разрешении, и эта потеря более заметна, чем отсутствие половины строк у поляризационных 3D-дисплеев.
В целом автостереоскопические мониторы стоят слишком дорого, а плюсы от их использования перекрываются рядом жирных минусов. В результате эти дисплеи используются в основном профессиональными дизайнерами или исследователями, а не игроками.
Реальная трехмерность
Рассмотренные выше технологии преследуют одну цель: обмануть глаза и заставить их поверить, что плоское изображение на самом деле объемно. Но наслаждаться трехмерностью можно и без обмана: существуют разработки, позволяющие воспроизводить 3D-сцены в реальности, не преобразуя их в двумерный кадр. Кто сказал «голограмма»? Да, это весьма перспективная технология, заслуженно пользующаяся любовью среди писателей-фантастов, но она все еще находится в зачаточном состоянии. Самый продвинутый на сегодняшний день голографический проектор имеет рабочий объем в несколько десятков кубических сантиметров и меняет содержимое сцены не чаще, чем один раз в несколько минут, при этом работает он исключительно с монохромными изображениями. Словом, к бытовому использованию голографических проекторов мы придем не скоро, да и не факт, что придем вообще. На самом деле мы имели в виду так называемые волюметрические дисплеи — устройства, воспроизводящие объемное изображение в виде вокселей или векторов, разнесенных в рабочем объеме устройства. Правда, хотя разработки в этой сфере ведутся уже давно, ни одно из устройств данного типа не было запущено в серийное производство.
Один из принципов создания волюметрических дисплеев подразумевает использование не одной, а сразу нескольких жидкокристаллических матриц, расположенных друг за другом. Примером такого устройства может служить модель Z20/20 от VIZTA3D. В этом мониторе используется 20 пластин с диагональю 20 дюймов, которые могут находиться в двух различных режимах. В первом они пропускают свет, а во втором мутнеют и становятся просветным рассеивающим экраном. Позади этой конструкции располагается проектор, с помощью которого на пластинах могут формироваться своеобразные срезы трехмерной сцены. Во время работы монитор поочередно замутняет каждую из матриц, а проектор выводит на нее нужные изображения. Все это происходит очень быстро, так что зритель видит мерцающий 3D-объект.
Некоторые прототипы волюметрических дисплеев используют в работе эффект транслюминесценции, то есть способность некоторых газов излучать свет с определенной длиной волны под воздействием излучения. В этих устройствах используется несколько пар невидимых инфракрасных лазеров, координируемых с помощью зеркал. Внутренность дисплея заполняется газами-транслюминофорами. Мощность лазеров подбирается таким образом, чтобы газ оставался в состоянии покоя под воздействием одного луча, но начинал светиться в том месте, где лучи пересекаются. Регулируя местоположение, в котором происходит пересечение, можно «рисовать» трехмерные картинки в рабочем объеме устройства.
Наконец, сторонники грубого подхода предлагают собирать 3D-экраны из большого числа светодиодов. Технически в этом нет ничего сложного, ведь излучающие кристаллы светодиодов чрезвычайно малы и добиться достаточной прозрачности отдельных слоев такого дисплея не составляет проблем. Управлять свечением отдельных вокселей экрана также достаточно просто, ведь в системе нет подвижных элементов. Однако немалая стоимость светодиодов практически не оставляет таким дисплеям права на существование. Судите сами: даже для создания простого 3D-экрана с разрешением 100×100×100 вокселей потребуется миллион светодиодов, то есть цена устройства будет измеряться сотнями тысяч долларов.
До реальной трехмерности еще очень далеко, но она нам особо и не нужна. Нам — это игрокам. Стереоскопические технологии позволяют уже сегодня наслаждаться 3D-эффектами в играх без существенных финансовых затрат. Мы находимся на пороге очередного стереоскопического бума, и вполне возможно, что устройства, описанные в статье, лет через пять будут неотъемлемой частью игровых систем.
Vova
