Na ekranie kina 3D wyświetlane są dwa nieco różniące się widoki tej samej sceny: jeden przeznaczony dla lewego, drugi dla prawego oka. Obrazy mogą pokrywać się na tej samej powierzchni, a mimo to okulary pozwalają każdemu oku odebrać właściwy widok. Rolę niewidocznych „adresów” przypisanych obu obrazom pełnią odmienne stany polaryzacji światła.
Sam filtr w okularach nie tworzy głębi. Jest tylko ostatnim elementem dłuższego łańcucha, obejmującego przygotowanie stereopary, projekcję, nadanie obrazom odpowiedniej polaryzacji oraz odbicie światła od ekranu, który nie może zniszczyć tego rozróżnienia.
Dwa obrazy są początkiem, a nie efektem ubocznym
Podstawą projekcji stereoskopowej jest stereopara, czyli dwa widoki przedstawiające scenę z nieco innych punktów. Jeden odpowiada perspektywie lewego oka, a drugi — prawego. Zadaniem systemu projekcyjnego nie jest więc wygenerowanie przestrzeni z pojedynczego, płaskiego obrazu, lecz dostarczenie przygotowanych widoków do odpowiednich oczu.
Jeżeli oba obrazy zostałyby po prostu nałożone na ekran bez mechanizmu separacji, każde oko widziałoby jednocześnie oba. Polaryzacja rozwiązuje ten problem przez oznaczenie strumieni światła w sposób, który może zostać rozpoznany przez filtry w okularach.
W pasywnym systemie polaryzacyjnym lewy i prawy obraz są polaryzowane odmiennie. Jedno szkło okularów przepuszcza stan przypisany lewemu obrazowi, a drugie stan odpowiadający obrazowi prawemu. W rezultacie widz spogląda na jeden ekran, ale jego oczy otrzymują różne informacje obrazowe.
Polaryzacja jako optyczny kanał transmisji
W tym zastosowaniu polaryzację można potraktować jako cechę światła używaną do rozdzielenia dwóch kanałów. Obrazy nadal wykorzystują ten sam obszar ekranu, nie trzeba więc dzielić go fizycznie na część lewą i prawą. Podział następuje w torze optycznym.
Pełny łańcuch można przedstawić w pięciu etapach:
- System otrzymuje dwa widoki stereopary.
- Każdemu widokowi przypisywany jest inny stan polaryzacji.
- Oba obrazy są kierowane na tę samą powierzchnię projekcyjną.
- Ekran odbija światło, zachowując rozróżnienie polaryzacyjne.
- Filtry w okularach przepuszczają do każdego oka właściwy kanał.
Najważniejsza jest współpraca wszystkich elementów. Zgodne okulary nie wystarczą, jeżeli obrazy nie zostały wcześniej odpowiednio spolaryzowane. Prawidłowa polaryzacja przy projektorze również nie wystarczy, jeśli powierzchnia projekcyjna nie zachowa jej po odbiciu.
Polaryzacja liniowa i kołowa
W materiałach dotyczących projekcji 3D pojawiają się dwa pojęcia: polaryzacja liniowa i polaryzacja kołowa. Oba opisują sposoby przygotowania światła, które następnie może zostać rozdzielone przez dopasowane filtry.
Edukacyjny układ demonstracyjny opisany przez organizację Optica wykorzystywał przed obiektywami projektorów polaryzatory liniowe oraz płytki ćwierćfalowe. Taki zestaw pozwala uzyskać dwa przeciwne stany polaryzacji kołowej. Każdy projektor obsługiwał jeden obraz, a oba widoki nakładano na posrebrzanym ekranie.
Płytka ćwierćfalowa jest w takim torze elementem optycznym współpracującym z polaryzatorem liniowym. To właśnie ich zestawienie umożliwia przygotowanie światła o przeciwnej skrętności dla dwóch kanałów. Okulary muszą mieć filtry odpowiadające stanom zastosowanym podczas projekcji.
W praktyce nie wystarczy zatem ogólna informacja, że okulary są „polaryzacyjne”. System po stronie projektora, ekran i okulary tworzą zgodny zestaw. Filtry przeznaczone dla innego sposobu kodowania światła nie stają się automatycznie właściwym odbiornikiem danego obrazu.
Dwa projektory: najbardziej czytelny model działania
Układ dwu-projektorowy dobrze pokazuje zasadę separacji. Jeden projektor wyświetla widok dla lewego oka, a drugi widok dla prawego. Przed ich obiektywami umieszcza się elementy nadające światłu przeciwne stany polaryzacji. Oba obrazy są precyzyjnie nakładane na ekranie.
Z punktu widzenia obserwatora nie powstają dwa osobne pola projekcyjne. Na ekranie znajduje się wspólna kompozycja obu widoków. Dopiero okulary dokonują selekcji: lewy filtr przekazuje jeden kanał, a prawy drugi.
Zaletą takiego opisu jest jego przejrzystość — dwa źródła odpowiadają dwóm widokom i pracują jednocześnie. Nie oznacza to jednak, że każda sala wykorzystująca okulary polaryzacyjne musi mieć dwa projektory. Tę samą podstawową funkcję rozdzielania obrazów można zrealizować także w układzie sekwencyjnym.
Jeden projektor i projekcja sekwencyjna
W projekcji sekwencyjnej widoki nie muszą pochodzić w tej samej chwili z dwóch niezależnych projektorów. Jeden system może wyświetlać obrazy w szybkiej sekwencji, zmieniając przy tym ich stan polaryzacji. Okulary nadal pozostają pasywne: nie przełączają się elektronicznie, lecz stale filtrują światło zgodnie ze swoim przeznaczeniem.
Operator kinowy Cinemark opisuje prezentacje RealD jako wykorzystujące projekcję 144 klatek na sekundę, filtry polaryzacyjne oraz okulary z polaryzacją kołową. W tym rozwiązaniu szybka projekcja i optyczne kodowanie widoków współpracują ze sobą, aby dostarczyć dwa kanały na jeden ekran.
Liczba 144 klatek na sekundę opisuje pracę systemu projekcyjnego wskazaną dla prezentacji RealD. Nie należy na jej podstawie samodzielnie wyprowadzać parametrów materiału źródłowego ani utożsamiać jej z liczbą odrębnych chwil stereoskopowych zapisanych w filmie. Z punktu widzenia zasady działania istotne jest to, że kolejne obrazy są prezentowane szybko i otrzymują właściwe kodowanie polaryzacyjne.
Komórka i zewnętrzne koło polaryzacyjne
Dokumentacja projektora kinowego Christie rozróżnia między innymi konfigurację z komórką polaryzacyjną dla RealD oraz rozwiązanie z zewnętrznym kołem polaryzacyjnym dla MasterImage. Są to odmienne sposoby włączenia elementu polaryzującego do toru projekcyjnego.
W obu przypadkach cel pozostaje taki sam: kolejne widoki muszą otrzymać właściwy stan polaryzacji, zanim światło trafi na ekran. Dokumentacja wskazuje również, że zarówno konfiguracja RealD, jak i MasterImage wymaga srebrnego ekranu.
Fakt użycia różnych podzespołów pokazuje, że określenie „kino polaryzacyjne” opisuje zasadę separacji, a nie jeden identyczny zestaw urządzeń. Konkretna instalacja może stosować inny mechanizm polaryzujący, zachowując tę samą ogólną drogę: dwa widoki, dwa stany światła, powierzchnia zachowująca polaryzację i pasywne okulary.
Dlaczego potrzebny jest odpowiedni ekran?
Ekran nie jest w takim systemie neutralnym tłem. Światło po wyjściu z układu projekcyjnego musi zostać odbite w sposób, który zachowa informację wykorzystywaną później przez okulary. Specyfikacja pasywnej projekcji 3D firmy Barco wskazuje na konieczność użycia ekranu niepowodującego depolaryzacji. W opisanym układzie demonstracyjnym oraz konfiguracjach kinowych pojawia się ekran srebrny.
Jeżeli odbicie usunęłoby rozróżnienie między stanami polaryzacji, filtry w okularach nie miałyby już dwóch prawidłowo oznaczonych kanałów do rozdzielenia. Jest to bezpośredni wniosek z budowy toru optycznego: ekran znajduje się pomiędzy układem polaryzującym a okularami, dlatego musi przekazać dalej cechę, na której opiera się selekcja.
Właśnie dlatego nie można sprowadzać polaryzacyjnego 3D do założenia odpowiednich okularów podczas dowolnej projekcji. Powierzchnia projekcyjna jest funkcjonalną częścią systemu, podobnie jak filtry umieszczone przy projektorze.
Co właściwie robią pasywne okulary?
Okulary polaryzacyjne nie analizują obrazu cyfrowego, nie komunikują się z projektorem i nie generują dodatkowych klatek. Ich działanie jest optyczne. Dwa filtry mają różne zadania selekcyjne: każdy przepuszcza stan światła przeznaczony dla danego oka.
Określenie pasywne odróżnia taki sposób działania od rozwiązań, w których okulary stanowią aktywny, przełączany element systemu. W omawianym torze polaryzacyjnym zasadnicza praca związana z oznaczeniem kanałów odbywa się przed dotarciem światła do widza. Okulary wykonują końcową selekcję.
Ma to również znaczenie dla zrozumienia obrazu widzianego bez okularów. Skoro na ekran skierowane są oba widoki, nieosłonięte oczy nie rozdzielają ich według przypisanej polaryzacji. Filtry są więc nie dodatkiem poprawiającym wygląd projekcji, lecz elementem koniecznym do skierowania właściwego widoku do właściwego oka.
Dwa warianty, jedna zasada
Różnicę między opisanymi sposobami projekcji można podsumować następująco:
- Układ dwu-projektorowy: każdy projektor obsługuje jeden widok, a dwa odpowiednio spolaryzowane obrazy są nakładane na ekranie.
- Układ sekwencyjny: widoki są szybko wyświetlane kolejno, a system nadaje im odpowiadające stany polaryzacji.
- Wspólna część: ekran musi zachować polaryzację, a dwa filtry okularów rozdzielają kanały dla lewego i prawego oka.
Z perspektywy widza rezultat optyczny opiera się na tej samej regule. Każde oko ma otrzymać tylko przeznaczony dla niego obraz. Różnica dotyczy przede wszystkim tego, jak obrazy są emitowane i w którym miejscu toru uzyskują odpowiednią polaryzację.
Najważniejsze ogniwa systemu
Polaryzacyjne kino 3D działa nie dzięki pojedynczemu filtrowi, lecz dzięki zgodności całego łańcucha. Potrzebne są dwa poprawnie przygotowane widoki, mechanizm nadawania im przeciwnych stanów polaryzacji, ekran zachowujący tę właściwość światła oraz okulary z dopasowanymi filtrami.
Dwa projektory mogą dostarczać oba obrazy jednocześnie. System cyfrowy może natomiast prezentować je sekwencyjnie, czego przykładem jest opisana projekcja RealD z częstotliwością 144 klatek na sekundę. Rozwiązania z komórką lub kołem polaryzacyjnym różnią się konstrukcją, ale służą temu samemu celowi.
Najprostsza odpowiedź na pytanie, jak dwa obrazy mieszczą się na jednym ekranie, brzmi zatem: zajmują tę samą powierzchnię, lecz światło każdego z nich ma inny optyczny „adres”. Dopiero filtry w okularach zamieniają to rozróżnienie na osobny widok dla lewego i prawego oka.
