Valósághű autosztereoszkopikus 3D-megjelenítés magyar innovációval

„A 3D halott, éljen a 4K!” – írta Varga G. Gábor a Népszabadság 2013. szeptember 6-i számában arra hivatkozva, hogy „a 4K – ez a hatalmas felbontás a tévéfronton – a legnagyobb őrület Berlinben. A tévégyártók szép csendben ismerték be, hogy a 3D halott”, és valóban úgy tűnik, hogy – legalábbis, ami a televízió- és filmipart illeti – vége van a 3D-s megjelenítéssel való próbálkozásoknak.

Az autosztereoszkopikus háromdimenziós megjelenítés kutatása és fejlesztése több évtizedes múltra tekint vissza, és egy rövid idős­zakra e század elején különösen felgyorsult a szemüveg nélküli 3D-snek hirdetett gyártmányok piacra dobásával. Mivel az elmúlt 10 év alatt a 3D-technológiában élenjáró globális cégek (Toshiba, LG, Philips, Hitachi, Panasonic, Hisense, Hewlett Packard, Samsung, Master Image, TCL) gyártmányai közül egyik sem volt képes valósághű élményt nyújtani, a legtöbb gyártó gyakorlatilag leállt a 3D-s termékek fejlesztésével, és áttért az ívelt, nagy felbontású képmegjelenítőkre, amelyek valóban képesek éles, térhatású képet produkálni élénk színekkel, ami a házi­mozi alkalmazására teljesen megfelelő. Azok a gyártók, amelyek még egyáltalán foglalkoznak 3D-megjelenítéssel, visszatértek a passzív és aktív szemüveges változatok fejlesztéséhez. Ez megint zsákutca, mert a létező 3D-s technológiával járó számtalan egészségügyileg káros tüneten kívül éppen a szemüveg az, ami eddig is a fő akadályt jelentette a 3D-s fejlesztések áttörésében, arról nem is beszélve, hogy még szemüveggel sem sikerült tökéletes 3D-s megjelenítést megvalósítani.
Valójában – különösen a kiterjesztett és virtuális valóság korában – a szórakoztató ipar számára (a videojáték-ipar kivételével) a legkevésbé szükséges a tökéletes 3D-megjelenítés. Egyébként is nehezen képzelhető el, hogy lesz-e olyan technológia, ami több személy számára képes nyújtani egy valódi 3D-s látványt („multiview 3D-t”) egy sík felületen, mivel a háromdimenziós látvány az agyban keletkezik, és egy ember nem képes egy másik ember szemével, vagyis agyával látni.

Miért bukott meg az eddigi létező, szemüveg nélküli 3D-s technológia?

Ahhoz, hogy megértsük a 3D-s megjelenítést, valamint azt, miért nem működik megfelelően a technika jelenlegi állása szerint készített, piacon lévő technológia, meg kell értenünk, hogyan működik a térlátás.
A térlátás olyan vizuális képesség, melynek segítségével a két szemünk a körülöttünk lévő környezetből, a visszaverődő fény által különböző mélységekben érzékel. A két szemünkben lévő retina a felfogott képi információt a kisagyba továbbítja, ahol a külön-külön megjelenített két kép szintézise alakítja ki a háromdimenziós látást.
A térlátás megértéséhez elengedhetetlenül szükséges még a távolságot jelző mozzanatok megértése is, például: mit jelent a szemtávolság (1. ábra), vagy a térben hol helyezkedik el egy tárgy, amit tulajdonképpen a binokuláris látás által határozhatunk meg.

1. ábra A szemtávolság értelmezése

A valósághű 3D-s megjelenítés egy néző számára (single view) lehetséges

Hatalmas előrelépést jelenthet olyan területeken, mint az orvosi diagnosztika (és általában az egészségügy), az építészeti tervezés, az oktatás, az igazságszolgáltatás (például bűnesetek rekonstruk­ciója), a biztonság és a rendvédelem (pl. helyszínelés), a videotelefónia vagy a 3D-s felvételek valósághű megjelenítését igénylő kutatás.

A két szemünkkel általában – főleg távolba nézés esetén – párhuzamosan látunk, ami azt jelenti, hogy a két szemünk közti távolságot megtartva juttatjuk a szemeinken keresztül a kisagyunkba a képi információt. E párhuzamos látás ismerete lehetőséget biztosít számunkra egy olyan háromdimenziós felvétel elkészítésére, illetve annak reprodukálására, amelyet a kisagyunk megfelelő körülmények között pontosan úgy érzékel, mintha a szemeket a két felvevő kamera helyén helyeztük volna el (2. ábra).

2. ábra 3D-felvétel készítése két kamerával

Egy bizonyos tárgyra figyelés esetén a tárgy távolságának függvényében két szemünk egy meghatározott szöget zár be. Ezt a szöget minden esetben a megfigyelt tárgy távolsága határozza meg (konvergencia, 3. ábra). Amikor egy távoli tárgyra figyelünk, az előtte lévő térben elhelyezkedő tárgyakból kettőt látunk (4. ábra). Fordított esetben, amikor egy közelebbi tárgyra figyelünk akkor a mögötte lévő tárgyakból látunk kettőt. E megállapítás egyértelműen bizonyítja, hogy tulajdonképpen a háromdimenziós látásnak nevezett képesség helytelen kifejezés, ugyanis mi nem három dimenzióban látunk, hanem a két szem által érzékelt kétdimenziós képeket montírozza úgy össze a kisagyunk, hogy azt háromdimenziósként értelmezzük.

3. ábra A két felvevő konvergenciája	4. ábra Megfelelő konvergencia nélkül kettőslátás keletkezik

A sztereolátás talán úgy érzékeltethető a legjobban, ha az egyik szemünket letakarva jól megfigyeljük a másik szemünkkel az előttünk látható háromdimenziós teret. Ha a egfigyelés után most az előbb látó szemünket takarjuk le és a letakart szemünket nyitjuk ki, megállapíthatjuk, hogy a második alkalommal látott kép egy kissé eltér az első alkalommal látott képtől. E különbség a két szemünk távolságából adódik. E különbség tényét és tulajdonságát kihasználva lehetőségünk nyílik egy olyan, három dimenzióban érzékelhető látvány megjelenítésére, amelyet a két szemünk egy reprodukció esetén az itt leírt előbbi különbséggel, illetve távolsággal fog érzékelni. 

Miről is van szó? Amennyiben egy párhuzamosan elhelyezkedő kamerapárral és annak azonos paramétereivel egy időben rögzített képeket egy sík, tehát kétdimenziós felületről úgy tudunk a megfelelő szemünkbe eljuttatni, hogy a bal szemünk csak a bal oldali, a jobb szemünk pedig csak a jobb oldali kamera felvételét látja, ill. láthatja, abban az esetben a szemfenekünkön (retinánkon) megjelent képeket a kisagyunk pontosan úgy fogja érzékelni, mintha a ka­merapár által rögzített képet mi láttuk volna. Az itt leírt feltételeket (nevezetesen a két kép külön-külön szemmel történő látását) azonban technikailag nem könnyű előállítani.
Ezt a fejlesztők eddig kétféle módon próbálták megvalósítani: a parallax barrier és a lentikuláris (lenticular) megjelenítések alkalmazásával. E két megoldás mindegyikében a közös vonás az, hogy a két (jobb-bal) képet egyszerre és egy időben jelenítik meg. Éppen ezért mindkét esetben negatívumként lép fel a következő hiányosság: a két kép egyidejű megjelenítésére való törekvés eredményeképpen nélkülözhetetlenné válik a két kép elválasztását biztosító kitakaró felület alkalmazása, miáltal az amúgy is csak 50%-ban megjelent külön-külön képek felülete is törvényszerűen csökken. A megjelenített képeket három dimenzióban érzékeljük ugyan, de a kitakaró felület nagymértékben csökkenti az érzékelt kép minőségét (parallax barrier megoldás, 5. ábra). A lentikuláris (6. ábra) megjelenítés esetében kitakarásra ugyan nincs szükség, de a vertikálisan elhelyezkedő, ívelt felületű fényvisszaverő oszlopokról nemcsak a két szembe, hanem azok közé, illetve mellé is szóródnak a fénysugarak, ami szintén lényegesen rontja a képminőséget.

5. ábra Parallax barrier 3D

Hátrány:
A látható felület körülbelül 50%-át egy sötét csíkozás borítja.
Az egy szem által látható képnek csak körülbelül a 40%-a látszik,
valamint kismértékű átlátás is tapasztalható, ami a szédülést,
illetve a rosszullétet okozza

6. ábra Lentikuláris 3D

Hátrány:
A fénytörés miatt a kép szétszóródik, az egy szemmel látott kép
kb. 40%-a látszik, hosszú távon ez szintén rosszullétet eredményez

Ezek a problémák főleg abból adódnak, hogy a háromdimenziós megjelenítést a két szem egyidejű látásával próbálták megvalósítani, ami törvényszerűen ezeket a hátrányokat idézi elő.
A jelenlegi technológiával szemben csak a lézeres holográfia (7. ábra) képes valódi térbeli megjelenítést előállítani: A holográfia nagy előnye a 360˚-os holografikus kép, vagyis a körbejárhatósága, ami alkalmassá teszi például terepasztalok 3D-s megjelenítésére. Hátránya azonban, hogy nem egy valósághű reális kép látható, hanem a hologramokra jellemző „kiugró”, ill. „szellemkép”, tehát nem a reális élményt nyújtja, továbbá a holografika előállításának és megjelenítésének bonyolultsága és jelenlegi magas költsége kizárja a tömeggyártást.

7. ábra Holográfia

Az itt leírt három alkalmazással szemben azonban létezik egy teljesen új technikai megvalósítási lehetőség arra, hogy egy 3D-s felvételt valódi 3D-ben lehessen megjeleníteni, szemüveg nélkül. Ez a lehetőség utat mutathat a további fejlesztések irányába. Itt olyan technikai megoldásról van szó, amely az említett megoldásokkal szemben nem egy időben jeleníti meg a bal–jobb képeket, hanem külön-külön úgy, hogy a képmegjelenítő felület előtt egy speciális kitakaró szerkezet (egy bizonyos mélységgel rendelkező rács) lehetővé teszi a képek külön-külön szemmel történő látását oly módon, hogy miközben az egyik szem átlát a rács lemezei között, addig a másik szemet akadályozza ebben. Természetesen ennél a megoldásnál a nevezett rácson alkalmazni kell egy bizonyos sebességű mozgást is, ami az előbbi folyamat egy ütemét a másodperc legalább 1/24-ed részében biztosítja. És itt elérkeztünk a rezgőrácsos térmegjelenítő szerkezettel történő megvalósításhoz.
A cikk tárgya a Szellemi Tulajdon Nem­zeti Hivatalánál 2013-ban bejelentett rezgőrácsos térmegjelenítő szerkezetet leíró találmány, amely működési elvében abban különbözik a parallax barrier és a lentiku­láris megoldásoktól, hogy a szemek számára megjelenített képek nem egyidejűleg, hanem külön-külön, egymás után jelennek meg a képmegjelenítő felületen. Ezáltal az említett megoldások problémái teljesen kiküszöbölhetőek úgy, hogy e változat költségkímélő előállításával szinte tökéletesen valósághű képminőséget tesz lehetővé.

A WIWIN^® technológia egyszemélyes, szemüveg nélküli, a természetes látással megegyező valósághű látvány megvalósítására alkalmas megoldás, amely úgy van kialakítva, hogy a tartószerkezet egyrészt egy képmegjelenítő felületet, másrészt pedig egy előtte elhelyezett, bizonyos mélységgel rendelkező rezgőrácsot foglal magában, illetve kapcsol össze abból a célból, hogy azok együtemű működtetésük esetén lehetővé tegyenek egy háromdimenziós látványt, oly módon, hogy a megrezegtetett rezgőrácson történő két szemmel való keresztüllátás alkalmával, a képmegjelenítő felületen felváltva megjelenített bal-jobb képek folyamatos váltakozása, a szemfenéken keresztül a kisagyba jutva valósághű, szemüveg nél­­küli háromdimenziós érzékelést biztosítson (8. ábra).

 8. ábra A WIWIN-rendszer vázlata

A találmány szerinti szerkezetben a felhasználó az azon megjelenített képeket pontosan úgy látja, mintha olyan lenne a szemtávolsága, mint a 3D-s felvétel alatt a kamerák közti távolság volt.
A szerkezet működésének lényege egy optikai csalódás, amelyben a kisagyunkban olyan érzet keletkezik, mintha egy időben látná a két szem által látott eltérő képeket, ezáltal mintegy annak a „tudatában” van, hogy az előtte elhelyezkedő két szem egy időben érzékeli, illetve látja, és ennek következtében a kisagy háromdimenziós képként értel­mezi a képeket.
A szerkezet által megjelenített látványt kitűnően alkalmazhatjuk – többek között – az egészségügy (például orvosi diagnosztika) területén, míg a nagyobb kameratávolságokkal megjelenített látvánnyal például az űrkutatás területén érhetünk el eredményeket. Noha e technológia célcsoportja jelenleg inkább a tudomány és a technológia területe, a szórakoztatóipart sem zárja ki a való­sághű, auto­sztereoszkopikus (személyi eszköz – pl. szemüveg – nél­küli – a szerk megj.) 3D-s megjelenítés alkalmazásából. A videojáték-iparon kívül, ahogy az internetes televíziózás fejlődik, és ahogy egyébként is több vizuális tartalmat nézünk, az egyszemélyes megjelenítőkön (és ebből következik az, hogy a legtöbb vizuális tartalmat fogyasztó egyszemélyes néző), a személyi számítógépen, táblagépen és mobiltelefonon lehet majd vizuális tartalmat valósághű 3D-ben megnézni a jelen technológiával, méghozzá szemüveg nélkül (9. ábra).

9. ábra A WIWIN-rendszer által keltett térlátás

A találmány szerinti szerkezet költségkímélő előállítása – a jelen­leg kutatás és fejlesztés alatt álló vagy már forgalomban lévő szerkezetekkel ellentétben – lehetővé teszi annak széles körű alkalmazását az élet, a tudomány és a technológia több területén.
A találmány az Új Széchényi Terv előfinanszírozásos keretében elnyerte a nemzetközi szabadalmi bejelentéshez szükséges támogatást, valamint 2014. novemberében Dr. Vedres András elnök jóvoltából és a Magyar Feltalálók Egyesülete képviseletében részt vett a 8. Kínai Nemzetközi Találmányi Kiállításon Kunshan városában, ahol 3000 kiállító között bronzéremmel díjazták. Jelenleg a prototípus előállításához forrásokat, illetve partnereket keresünk (gyártók, orvosdiagnosztikai, építészeti tervezési és egyéb 3D-s megjelení­tési technológiát alkalmazó vagy alkalmazni kívánó cégek stb.) európai uniós Horizont 2020 és magyar állami (GINOP) pályázatokhoz. Jelenleg a találmány a prototípus előtti stádiumban van (proof-of-concept deszkamodell).
A prototípus előállításához szükséges elektronikai feladatok: az elektromágneses vezérlés megtervezése, a végállások optimalizá­lása (késleltetése), valamint a különböző mozgó egységek elektronikai összehangolása. További fejlesztési irány: a jelenlegi mechanikus formában kivitelezett megoldás lehetséges elektronikus változatainak kifejlesztése.

Elismerés

Szerző: Jéger József – Jéger Patents Pjt.

Jéger Patents Pjt.
Mobil.: +36 70 527 8495
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.

Jogi képviselő: Dr. Czudar Balázs
Cím: 1062 Budapest, Andrássy út 126.