Третье измерение

Воспринимать окружающий мир во всей его трехмерной красе – дело совершенно естественное, а с точки зрения эволюции человека – даже необходимое для выживания.

чтобы добиться как можно большей достоверности в изобразительном искусстве, человечество не оставляло попыток создать практичную технологию стереоскопического изображения. Однако после каждого успеха, вызвав причитающуюся долю ахов и охов, стереоизображение вновь уходило в тень, чтобы лет через тридцать опять стать поразительным открытием уже для следующего поколения зрителей.

Началось история 3D, как полагается, в Древней Греции, когда Евклид в трактате «Оптика» изложил теорию восприятия перспективы. В нем он утверждал, что из глаз человека выходят зрительные лучи, и в месте их пересечения образуется видимая зона, т.н. угол зрения. Чем он больше, тем ближе кажется наблюдаемый объект, и наоборот. Также он отметил, что левый и правый глаз воспринимают объект под разными углами.

Но философские измышления древних греков оставались теорией, далекой от практики. Куда больший вклад в создание стереоскопических иллюзий сделал Леонардо да Винчи. Среди прочих стоит выделить труд гения о строении глаза, где он сравнивает его с устройством камеры-обскуры, проецирующей изображение вверх ногами. Одна из теорий даже гласит, что Джоконда является частью стереопары – двух картин, изображающих одну сцену, но под разными углами; чтобы увидеть третье измерение, от наблюдателя требуется сфокусировать взгляд не на картинах, а на точке за ними.

Однако насладиться честным 3D-изображением без лишних хлопот стало возможно только в 1833 году, когда английский ученый сэр Чарльз Уитстоун представил Лондонскому королевскому обществу по развитию знаний о природе первый в мире стереоскоп. Нехитрое приспособление состояло из двух зеркал, закрепленных под углом, в которых отражались закрепленные по бокам картинки (именно картинки, потому что до изобретения фотографии оставалось еще шесть лет). Данный «девайс» был мало похож на современные стереоочки и не был удобен в использовании. Поэтому популярность стереоскопы завоевали лишь после вмешательства другого английского ученого – Дэвида Брюстера: вместо зеркал его модель была оснащена линзами, а стереопара вставлялась в слот спереди.

Эта улучшенная версия и произвела фурор на Всемирной выставке 1851 года, которую посетила треть населения Британии, в том числе и сама королева Виктория, по достоинству оценившая изобретение. С ее подачи стереофотография стала популярным увлечением в английских семьях. Можно было купить специальный фотоаппарат с двумя объективами или воспользоваться обычным – в этом случае второй кадр надо было снимать, отодвинув фотоаппарат на 2,5 дюйма (примерно 6,3 см, усредненное межзрачковое расстояние взрослого человека) вправо или влево относительно оптической оси. На протяжении еще сотни лет стереоскопы не теряли популярности и до сих пор обитают в сегменте курортных сувениров.

С появлением кинематографа первое, что пришло изобретателям в голову, – придать стереоскопическим фотографиям движение. В конце XIX века в нескольких странах независимо друг от друга подаются патенты на «стереографический кинематограф». Среди авторов – Томас Эдисон, внедривший стереоскопию в свои кинетографы (ящики со смотровыми отверстиями, в которых крутилась пленка), и братья Люмьер. Однако ни одного стереофильма тех лет до нас не дошло; древнейшим материалом остается катушка для левого глаза с видами долины Йосемити. Согласно маркировкам на ленте, отснятый материал датируется 1919-м и 1922-м годами.

В начале XX века выходит несколько пробных стереокартин, но серьезные режиссеры остаются консерваторами. Так, французский классик кинематографа Абель Ганс в эпическом фильме «Наполеон» (1927) экспериментировал и со стереоскопическим изображением, и с панорамной съемкой, но дальше отдельных фрагментов, демонстрировавшихся на закрытых показах, дело не пошло. По мнению мэтра, мир был еще не готов к тому, чтобы воспринимать эти приемы органической частью произведения в целом.

Разноцветные глаза

Мир, правда, с мэтром не согласился и с удовольствием массово потреблял ленты, созданные по анаглифной технологии. Принцип работы прост, как все гениальное: на нос зрителя водружаются очки с линзами контрастного цвета (традиционными стал красный для левого стекла и бирюзовый для правого). Отснятые ленты пропускаются через соответствующие светофильтры в проекторе (или предварительно подкрашиваются эмульсией) – и вуаля: два изображения выводятся на один экран, но из-за того, что каждая цветная линза в очках зрителя «режет» определенную часть цветового спектра, каждый глаз видит только одну, предназначенную для него картинку. В результате 3D-кино становится общедоступным: демонстрация фильмов на стереоскопе требовала бы отдельного девайса для каждого зрителя, в то время как для организации просмотра анаглифной ленты было достаточно двух проекторов, одного экрана и мешка относительно дешевых очков.

Анаглифная технология отлично подходила для черно-белых фильмов, но не для цветных: окраска ленты и цветные стекла очков неизбежно ведут к потере оригинальной гаммы. Тем не менее, в 80-х с появлением VHS и развитием кабельных каналов произошел повторный всплеск интереса к этой технологии; фильмы прошлых лет массово переформатировались в анаглиф для демонстрации на домашних системах. Из-за относительной дешевизны производства и общедоступности, анаглиф применяется до сих пор (хотя сейчас, конечно, никто пленку в эмульсии не полощет, а вырезает «ненужные» части спектра цифровым способом).

Даже в игры анаглифное 3D совершило экскурс. Первой консолью, поддерживающей стереоскопические игры, стала Vectrex 1982 года – правда, прожила она недолго и была похоронена во время кризиса игровой индустрии 1983 года. Пришедшая на развалины американского рынка Nintendo выпускала анаглифные версии игр для NES: World Runner 3D, Orb 3D и т.п. Duke Nukem 3D, кстати, назывался «3D» не просто так – он поддерживал анаглифное отображение.

Правда, в играх анаглиф потерял свое главное преимущество: доступность. Это при проигрывании видеофайлов системе все равно, какую картинку показывать – обычную или «два в одном». Для игр же каждый кадр приходится создавать два раза: в варианте для левого и для правого глаза, после чего совмещать их на мониторе – что, естественно, сильно сказывается на производительности. Плюс присутствует общая для всего анаглифного 3D проблема искажения цвета, – хотя в этом направлении продолжается работа. В частности, компания Trioviz заменила традиционную пару цветов красный/бирюзовый на фиолетовый/зеленый, запатентовала особую структуру фильтров и уверяет, что получающееся 3D ничем не хуже естественного зрения. В ходе маркетинговой кампании 2010 года им удалось добиться поддержки своей технологии в Batman Arkham City, Assassin’s Creed 3 и Gears of War 3, – но на этом дело по сути и заглохло.

Направленные волны

В пятидесятых анаглиф вытеснила другая технология «пассивного» 3D – поляризация. С точки зрения пользователя, принцип тут почти тот же: опять очки, где стекло для правого глаза отличается от стекла для левого. Но если анаглиф «рубит» определенные части цветового спектра, то поляризация отсеивает световые волны. В нормальном состоянии в луче света волны идут как угодно: и параллельно земле, и перпендикулярно, и под всеми остальными углами. После прохождения через базовый поляризационный фильтр остаются лишь те волны, что колеблются в заданной плоскости – скажем, только параллельные земле (или перпендикулярные, если повернуть фильтр на 90 градусов). Если впоследствии такой «сплющенный» поток света встретится с фильтром, настроенным на другую плоскость – сквозь него не пройдет вообще ничего.

На этой особенности и основано линейное поляризационное 3D: грубо говоря, изображение для левого глаза переносится в волнах, колеблющихся параллельно земле, для правого – в перпендикулярных (хотя в кинотеатрах углы используются немного другие). Головой при этом, естественно, не покачаешь – волнам будет труднее «протиснуться» через нужные фильтры в очках и картинка будет затемнена.

Эта проблема в целом решилась с изобретением технологии круговой поляризации, когда фильтры «закручивают» световые волны по часовой стрелке или против нее, – в зависимости от того, для какого глаза предназначено изображение. Однако для поляризации в кинозалах осталось второе препятствие: если анаглиф после изобретения двусторонней печати (левый и правый кадр наносились с разных сторон пленки) стало возможно демонстрировать с одного проектора и где угодно, то поляризация не может обойтись без двух проекторов – один с фильтром для левого глаза, другой – для правого. Да и экран требуется специальный, иначе при отражении света вся поляризация собьется.

В играх поляризация реализована по-иному, поскольку источник света тут всегда один – экран телевизора или монитора. Чтобы добиться эффекта 3D, на экраны клеят специальную пленку, меняющую поляризацию чересстрочно, – что, естественно, приводит к потере разрешения.

Зашторенный взгляд

Однако что анаглиф, что поляризация требуют от зрителя определенных жертв: то головой крутить нельзя, то цвета плывут. А зачем требовать жертв от зрителя, когда их может принести техника? Такой логики придерживалась часть изобретателей, решивших двигать наследие стереоскопа в направлении активного 3D, в частности – очков с затворным механизмом.

Принцип их работы достаточно прост. В киноленту по очереди вклеены изображения для левого и для правого глаза, а синхронизированные с проектором очки в нужный момент закрывают «ненужный» глаз: пока демонстрируется картинка для левого – закрывается правая линза, в следующее мгновение демонстрируется кадр для правого – закрывается левая. В 20-е годы в оправы были встроены механические шторки, в современных очках линзы покрыты слоем из жидких кристаллов, молекулы которых поворачиваются, когда по ним проходит электрический ток, и линза затемняется. В связи с этим в сегменте очков они самые дорогостоящие и требуют собственного источника питания.

Поскольку кадры для левого и права глаза чередуются, активное 3D не приводит к потере качества изображения, но затемняет картинку и уменьшает фреймрейт в два раза. Поэтому на экранах с частотой обновления изображения в 60Гц видео будет идти со скоростью 30 кадров в секунду. Современные затворные очки обычно требуют экрана с частотой в 120Гц. Чем меньше частота обновления, тем сильнее заметно мерцание изображения, и тем ощутимее нагрузка на глаза.

В киноиндустрии эта технология не применяется из-за дороговизны очков, но для консолей это лучшее решение. Когда Sega выводила на рынок конкурента NES – Master System, она старались побороть Nintendo по всем фронтам: цена, графика, аркадные эксклюзивы, да просто дизайн. Не осталась в стороне и вновь вернувшаяся мода на 3D – к Master System можно было купить затворные очки Sega Scope. К телевизору они подключались через специальный адаптер, который, в свою очередь, помещался в слот на приставке. Sega Scope также были совместимы с Genesis через дополнительный модуль Power Base.

Через год Nintendo выпустила собственный затворные очки, которые, правда, не снискали популярности и не покинули родные острова. В целом на протяжении 90-х затворные очки оставались невостребованными, да и в новом веке на рынке заметную роль играет только NVIDIA 3D Vision.

Дело в шлеме

Но каким бы ни было 3D объемным, а происходящее реальным, зритель все равно останется в своей гостиной и будет наблюдать мир игры через окно, прорубленное в стене. Он не будет чувствовать себя участником событий, лишь сторонним наблюдателем. Нужно убрать гостиную, все эти посторонние предметы, надеть шоры. Идее этой сотни лет, веками ее пытались повторить с переменным успехом. Первые стереоскопы – чем не шлемы виртуальной реальности? Или стереоскопический кинетограф Эдисона, фильмы в котором можно было увидеть только через окуляры?

Многочисленные прототипы шлемов виртуальной реальности стали появляться в начале 90-х. Над ними работали Autodesk, Atari, Crystal River Tech., Sega, StrayLight Corp., Vream и другие. В принципе, все они мало чем отличались как друг от друга, так и от современных представителей: стереопара, две линзы, небольшое разрешение, отслеживание положения головы.

Ни одной компании так и не удалось вывести эти устройства на массовый рынок. Неудачу потерпела даже такая годзилла, как Nintendo: провал ее Virtual Boy стал одной из самых громких неудач компании. Virtual Boy позиционировался как портативная приставка, хотя был столь громоздким, что играть предполагалось либо поставив его на стол, либо положив себе на голову. Два крохотных монохромных LED-дисплея могли похвастаться разрешением 1x224 (это не опечатка, картинка выводилась построчно с помощью отражателей, которые постоянно жужжали) и, по словам очевидцев, отлично передавали ощущение глубины. Но ни о каком DOOM среди представленных приложений и мечтать не приходилось. Вдобавок каждые 15 минут выскакивало сообщение с советом сделать перерыв; проигнорировавшие его сталкивались с резью в глазах и головной болью. А дошкольникам, по официальной информации, Virtual Boy и вовсе мог нанести непоправимый вред здоровью.

Без крыши

Как повелось в истории 3D-технологий, сменилось поколение, и на завоевание вершины трехмерности отправились новые команды. Oculus VR с очками Oculus Rift, положившими начало новой золотой лихорадке. Sony с Project Morpheus. NVIDIA, которая никогда не упустит свой кусок технологического пирога. Даже Google разместил схему сборки корпуса из обычной картонной коробки: просто добавь смартфон, и 3D-очки готовы (эта шутка гигантской корпорации породила массу подражателей, и теперь в интернет-магазинах не составляет труда купить набор «Сделай Oculus Rift сам, линзы и липучки входят в комплект»).

В общем, компании собрались серьезные, да и время для освоения Клондайка подходящее: производство подешевело, все элементы стали гораздо более компактными (поэтому шлемы незаметно трансформировались в очки), да и потенциальная пользовательская база резко выросла. Однако новый виток разработки и тестирования вскрыл целый ряд проблем у, казалось бы, идеальной технологии.

Да, человеку, впервые опробовавшему Oculus Rift, эта гарнитура кажется чем-то волшебным: вот она пресловутая виртуальная реальность, в которую можно поверить. Крутишь головой и восхищаешься: за счет необычайно широкого поля зрения, погружение получается такой силы, что организм по-настоящему начинает реагировать на происходящее: при падении чувствуешь щекотку в животе, при резких поворотах, сам того не ведая, отклоняешься в сторону.

Но уже минут через десять тебя начинает подташнивать, и появляются прочие симптомы морской болезни, потому что все это время зрительные органы получали информацию о движении, в то время как тело оставалось в покое. Из-за этого в вестибулярном аппарате возникает внутренний конфликт, приводящий к критической ошибке «мне дурно». И если какой-нибудь автосим или MechWarrior еще способны кое-как совладать с этой проблемой: пилот сидит в виртуальной кабине, игрок сидит в своем кресле, – то уже десять минут какого-нибудь Unreal Tournament вполне способны подарить мигрень.

Внутренними конфликтами человеческого мозга проблемы 3D-очков не исчерпываются, встает вопрос и с управлением. Действия настоящих рук игрока не совпадают с тем, что делают руки его виртуального альтер-эго, что добавляет и без того сбитому с толку мозгу лишних хлопот. По мнению создателя Oculus Rift, Палмера Лакки, идеальным контроллером был бы пистолет или меч, но подобное остается на стадии невоплощенных желаний.

Наконец, под очки виртуальной реальности должны быть заточены сами игры: тот же Kinect, предлагавший «сделать контроллером свое тело», наглядно показал, что любая интересная технология бесполезна, если в игры ее встраивают по принципу «чтобы было». У кино с 3D, например, так ничего и не получилось: хотя технология приближается к столетнему юбилею, ни один серьезный режиссер не считал третье измерение обязательным элементом кинематографа. Можно вспомнить Эйзенштейна, который говорил, что звук привнес в кино куда больше, чем цвет или стереоскопия. Или Хичкока, чей единственный стереоскопический фильм «В случае убийства набирайте «М»» был снят по принуждению начальников из Warner Brothers, впечатленных доходами от фильма ужасов «Дом восковых фигур 3D» (и это при том, что «В случае убийства набирайте «М»» была экранизацией пьесы, где почти все действие происходило в одной комнате). В общем, исторически сложилось, что для кинематографа заигрывание с третьим измерением – не более чем баловство, спецэффект, заменяющий режиссерскую работу и превращающий картину в аттракцион. И не то чтобы аттракцион – это плохо: американские горки «Анна Каренина», завершающиеся смачным сшибанием этой самой Анны, имеют полное право на существование. Однако Лев Николаевич, наверное, имел в виду несколько другое.

Впрочем, Лев Николаевич – это все-таки серьезное искусство, а игры, в отличие от кинематографа, на «искусствовость» претендовали редко и не особенно настойчиво. Так что у очков и в статусе «аттракциона» будет все хорошо, если компаниям удастся договориться с вестибулярным аппаратом, наладить управление и победить главного врага – инертность среднестатистического потребителя.

Ну а если нет – лет через 30 к этому вопросу обязательно кто-нибудь вернется.

Текст: Петр МАТАФОНОВ