3D Vietnam

Vài năm trước trong dịp thăm công viên DisneyLand ở Hồng Kông, Trung Quốc, khi ngồi xem phim nổi trong rạp chúng tôi đã nhiều phen hoảng hồn, phải cúi đầu tránh các vật thể ảo như đĩa, dao… mà chuột Micky và vịt Donald choảng lẫn nhau.

Ngay trong những ngày cuối năm 2009, đầu năm 2010 này phim 3D Avatar đã gây ra một cuộc cách mạng xem phim không chỉ trên thế giới mà cả ở Việt Nam, và khi số báo này tới tay bạn đọc thì việc mua được vé để xem phim này có lẽ cũng không phải là dễ. Phải nói rằng phim nổi thật hấp dẫn và thú vị. Với cặp kính đeo và ngồi trên ghế, bạn có thể đắm mình thực sự vào thế giới của các nhân vật trong phim. Và chúng ta cũng có thể tự hỏi: Khi nào thì khán giả truyền hình có thể xem các chương trình 3D qua màn ảnh truyền hình? Ở đây tôi không dùng khái niệm màn ảnh nhỏ nữa vì các màn hình lớn với độ phân giải cao đang dần trở nên thông dụng trong cuộc sống. Bài này muốn giúp bạn đọc có một số kiến thức về truyền hình nổi hay truyền hình ba chiều (3D-TV) với cách hiểu là hình ảnh truyền hình mà ta thụ cảm có thể vượt ra khỏi khuôn khổ của màn hình TV thông thường. Trong bài có thể có những thuật ngữ tiếng Anh chưa tiện dịch ra tiếng Việt vì không chuẩn, hoặc dịch ra không thật đúng, mong bạn đọc thông cảm.



1. Khái niệm và bản chất.

Khái niệm.

Theo Hiệp hội Viễn thống Quốc tế (ITU), có thể hiểu một cách đầy đủ rằng “Truyền hình 3D (3D Television, 3DTV) là tên gọi chung chỉ các hệ thống mà các hệ thống đó cung cấp cho người xem cảm giác độ sâu tương tự với cảm giác mà chúng ta thấy trong thế giới thực”.

Bản chất của việc tạo ra hình ảnh 3 chiều.




Về bản chất hai mắt của con người được đặt cách nhau một khoảng không gian nhất định (trung bình khoảng 6,25 cm). Do vậy khi hai mắt người nhìn vào một vật thể (hiểu cả theo nghĩa hẹp là một vật cụ thể hoặc nghĩa rộng là cả không gian rộng lớn quanh ta) thì hình ảnh mà hai mắt cảm thụ được sẽ khác nhau vì hai góc nhìn là khác nhau.

Hai hình ảnh xem từ mắt trái (Left Eye View) và mắt phải (Richt Eye view) đó sẽ được bộ não (cụ thể là hệ thống thần kinh thị giác), hoạt động như “một bộ xử lý ảnh”, hợp nhất lại để tạo thành một ảnh thụ cảm 3D đơn (hình 1). Ứng dụng hiện tượng này các nhà nghiên cứu đã đề ra các giải pháp để tạo ra hình ảnh nổi cho phim và truyền hình. Đây cũng chính là nguyên lý cơ bản mà các camera 3D mới hiện nay làm việc.

2. Các loại màn hình 3D.

Trong thực tế phát triển kỹ thuật hiện nay có nhiều phương pháp tạo hình ảnh 3D cho TH, và đi kèm với chúng là các hệ thống hiển thị cho 3DTV. Có thể phân ra làm các hệ thống hiển thị chủ yếu như sau:

• Hệ thống công nghệ stereoscopic: là hệ thống dựa trên các cặp kính, các hình ảnh được hướng đến các mắt trái và phải. Trong hệ thống này lại phân làm hai loại: các cặp kính thụ động (passive glasses) mà thường là các kính phân cực; các cặp kính tích cực (active glasses) mà thường là các kính cửa chập (shutter glasses);

• Hệ thống công nghệ không dùng kính (auto-stereoscopic), gồm các loại như: lenticular display, parallax barrier, spinning Mirror;

• Các hệ thống khác: Holographic (điều chế ánh sáng không gian khi dùng giản đồ giao thoa sóng ánh sáng)…

Trong phần này chúng tôi xin trình bày một vài dạng thông dụng nhất hiện nay.

2.1. Các công nghệ Stereoscopic TV.

a) Công nghệ Các kính cửa chập (shutter glasses), hay kính phân cực tích cực:

Công nghệ 3D mà một số hãng như Panasonic, Sony, Nvidia thường hay sử dụng nhất hiện nay và trong tương lai gần là công nghệ “các kính cửa chập”. Về cơ bản đó là các cặp kính thực hiện ngăn cách luân phiên mắt trái và mắt phải trong khi TV phát các ảnh riêng rẽ cho mỗi mắt, do vậy tạo nên ảnh 3D trong tâm trí (mind) của người xem.

Nguyên tắc làm việc của công nghệ Các kính cửa chập (hình 2) là như sau: Tín hiệu video của TV lưu ảnh cho mắt trái trên các field chẵn, và các ảnh cho mắt phải trên các field lẻ của nó. Bản thân TV được đồng bộ với các kính của chập qua công nghệ tia hồng ngoại (infra-red) hoặc công nghệ sóng cao tần (RF). Các kính cửa chập có chứa tinh thể lỏng và bộ lọc phân cực. Khi nhận được tín hiệu đồng bộ thích hợp từ TV từng mắt kính sẽ bị đóng (bị làm mờ tối) hoặc mở (được trở thành trong suốt) làm cho mắt trái sẽ chỉ nhìn thấy ảnh trên field chẵn, mắt phải sẽ chỉ nhìn thấy ảnh trên field lẻ của tín hiệu video. Điều này có nghĩa rằng ở mỗi thời điểm chỉ có một mắt nhìn thấy một ảnh. Bằng việc xem hai ảnh từ các hướng ứng với hai mắt khác nhau, ảnh 3D sẽ được cấu tạo lại bởi não bộ.



Vậy điều này có gây ra sự trễ cho người xem? Cũng không cần lo lắng vì với tần số quét màn hình (screen refresh rate) của truyền hình 3D hiện đại trải nghiệm xem của người sử dụng cuối là hoàn toàn tốt, trơn tru và liên tục.

Ưu điểm của phương pháp này là, phụ thuộc vào tần số frame được sử dụng, có thể sử dụng màn hình HD để xem nội dung 3D HD mà không cần cải biên gì.

Một nhược điểm của công nghệ này là do sự đóng mở (chớp) nhanh của các cửa chập ánh sáng lọt vào mắt sẽ yếu hơn, làm cho ảnh dường như tối hơn. Đồng thời giá thành của cặp kính cao, và phải nạp điện.

b) Công nghệ các kính phân cực thụ động:

Về cơ bản các kính phân cực là các kính râm bình thường, được sử dụng cho xem 3D stereoscopic từ trước tới nay. Chúng cũng là loại kính 3D thông dụng nhất hiện đang được sử dụng trong các rạp chiếu bóng. Cũng giống như các kính cửa chập, các kính phân cực dùng các thấu kính để chỉ ra các ảnh khác nhau cho mỗi mắt, làm cho não cấu trúc ảnh 3D cho người xem.

Kính 3D phân cực làm việc như sau: Để cho kính phân cực làm việc phim cần xem phải được quay khi dùng hai camera, hoặc dùng một camera đơn với hai ống kính. Khi chiếu thì phải dùng hai máy chiếu (projector) trái và phải, gắn với các bộ lọc phân cực trên các ống kính, và sau đó chiếu đồng thời phim trên cùng một màn ảnh. Bộ lọc phân cực định hướng các ảnh từ máy chiếu bên trái theo một mặt phẳng (ví dụ, mặt phẳng đứng), còn bộ lọc trên máy chiếu bên phải thì định hướng các ảnh của nó theo mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng trên (tức là mặt phẳng ngang).

Màn hình LCD dùng bộ lọc phân cực phủ toàn bộ màn (hình 3). Chúng là các dải các bộ lọc phân cực xắp xếp theo chiều ngang của màn, và được thay đổi luân phiên phân cực, với mỗi dải che một dòng ngang các pixel. Khi video được hiển thị, các dòng lẻ tải tín hiệu video trái, còn các dòng chẵn tải tín hiệu video phải.

Các cặp mắt kính mà người xem đeo khi ngồi xem là các kính đặc biệt, được trang bị các thấu kính phân cực khác nhau. Các thấu kính trái của cặp kính được sắp trong cùng một mặt phẳng đứng, có nghĩa là cùng với mặt phẳng của các hình ảnh mà máy chiếu trái phát ra, tức ứng với các dòng chẵn. Tình hình tương tự như vậy đối với các thấu kính phải của cặp kính. Như vậy mắt trái của người xem chỉ nhìn thấy các hình ảnh trên màn được chiếu ra từ máy chiếu bên trái, còn mắt phải của người xem chỉ nhìn thấy các hình ảnh trên màn được chiếu ra từ máy chiếu phải. Vì cả hai hình ảnh được thu nhận từ hai góc khác nhau nên não bộ của người xem sẽ tổng hợp thành một ảnh 3D đơn.



Nếu phân cực tròn trái và tròn phải được sử dụng thì ảnh vẫn giữ được hiệu ứng 3D của nó khi người xem nghiêng đầu. Về thực chất thì mỗi mắt của người xem chỉ nhìn thấy một nửa của ảnh toàn phần. Ưu điểm của phương pháp này là chỉ cần một kênh truyền hình đơn là có thể tải tín hiệu 3D, và cặp kính xem thì không đắt. Nhược điểm là màn hình phải được gắn các bộ lọc phân cực trên đó, làm tăng đáng kể giá thành. Việc xem video 2D bình thường, không dùng cặp kính, trên các màn hình này thì không bị ảnh hưởng bởi các bộ lọc phân cực. Một nhược điểm khác của công nghệ này là, cũng như các cặp kính của chập, cường độ ánh sáng tới được mắt người sẽ bị giảm.

Như vậy chúng ta thấy nhược điểm lớn nhất của công nghệ stereoscopic 3D TV là yêu cầu người sử dụng phải mang kính hoặc thiết bị đặc biệt để xem. Điều này là không thuận tiện và khó chịu, gây mỏi mắt. Ngoài ra, khi không có kính thì không thể sử dụng nội dung 3D bất kỳ. Màn hình phải được hiệu chuẩn để làm việc với 3D, và khi không có kính thì cũng có nghĩa là các ảnh xem được sẽ bị méo mó… Điều này dẫn đến việc chuyển sang lụa chọn giải pháp 3DTV không cần dùng kính.

c) Phương pháp hiển thị DLP 3D:



Đây là một phương pháp dựa trên công nghệ màn hình xử lý số ánh sáng (Digital Light Processing – DLP). Nó liên quan tới việc tạo giản đồ dạng bàn cờ của hai ảnh. Máy chiếu thay đổi luân phiên giữa hai ảnh. đầu tiên nó hiển thị ảnh trái (ứng với các ô vuông tối trên bàn cờ), và sau đó ảnh phải (ứng với các ô vuông sáng). (Hình 4). Hệ thống này cũng dùng cặp kính cửa chập tích cực. Phương pháp làm việc tốt nhất với các màn hình DLP, nhưng tín hiệu phải được cung cấp theo định dạng bàn cờ, là định dạng có nguồn gốc từ các board đồ họa máy tính hoặc các hộp biến đổi đặc biệt.

2.2. Các công nghệ autostereoscopic TV.

Các máy thu hình autostereoscopic TV hoạt động trên nguyên lý giống nhau, nhưng dựa trên các công nghệ chính: các thấu kính hình hột đậu (lenticular lenses) và rào chắn thị sai (parallax barrier).

a) Công nghệ lenticular lenses:

Đây là công nghệ dùng các thấu kính dạng hình trụ nhỏ xíu, gọi là các lenticule. Các lenticule này được dán thành mạng trên một phiến trong suốt. Sau đó phiến này được dán lên bề mặt hiển thị của màn hình LCD. Do vậy khi người xem xem các ảnh thì các ảnh đó được phóng to bởi thấu kính hình trụ. Để hình dung điều này bạn có thể làm thí nghiệm như sau. Cuộn tròn một tờ báo hoặc tạp chí thành hình trụ và giữ nó ở phía trước bạn. Sau đó dùng một tay che mắt trái. Hãy chú ý các chữ (text) và hình ảnh mà bạn nhìn thấy bằng mắt phải. Tiếp theo mở mắt trái và dùng tay che mắt phải. Về bản chất, với hai góc nhìn khác nhau đã cho, bằng mắt trái bạn sẽ nhìn thấy nhiều hơn text và hình ảnh ở tận cùng phía trái, và ngược lại. Bằng việc kết hợp hai ảnh này, bộ não của chúng ta có thể cảm thụ độ sâu.




Tương tự như vậy, khi bạn đang nhìn ảnh hình trụ mà TV đang chỉ ra cho bạn, các mắt trái và phải của bạn nhìn thấy hai ảnh 2D khác nhau, và não bộ sẽ kết hợp chúng để tạo thành một ảnh 3D.

Nhược điểm của công nghệ lenticular lenses là là nó phụ thuộc rất nhiều vào vị trí bạn ngồi so với màn hình. Nó đòi hỏi những vị trí xem tốt (sweet spot) để có thể đạt được hiệu ứng 3D, và việc lệch đi dù chỉ một ít sẽ làm cho ảnh TV được thụ cảm dường như bị méo đi. Phụ thuộc vào số lenticule và tần số quét của màn, có thể sẽ có nhiều vị trí xem tốt.

b) Công nghệ rào chắn thị sai (parallax barrier):

Công nghệ parallax barrier là một phương pháp chính khác cho phép xuất ảnh autostereoscopic. Công nghệ này đang được nhiều công ty như Sharp, LG… thực hiện, vì nó là một trong những công nghệ thân thiện nhất với khách hàng, và có lẽ cũng là công nghệ duy nhất cho phép xem 2D thông thường.

Parallax barrier là một lưới tinh (fine grating) tinh thể lỏng đặt ở phía trước màn hình, với những kẻ hở tương ứng với những cột pixel nhất định của màn TFT. Các vị trí này được cắt để cho phép truyền các ảnh luân phiên tới mỗi mắt người xem khi họ ngồi ở những vị trí xem tối ưu. Khi một điện áp thấp được đặt vào parallax barrier các khe hở của nó sẽ hướng ánh sáng từ mỗi ảnh tới mắt trái và mắt phải khác nhau một ít; do vậy tạo hình dung độ sâu và ảnh 3D trong não.

Hoạt động của công nghệ parallax barrier (hình 6) là như sau. Trong mode 2D tinh thể lỏng chuyển mạch được điều khiển sao cho rào chắn thị sai là trong suốt, cho phép tất cả ánh sáng đi qua. Điều này làm cho mắt trái và mắt phải cùng nhìn thấy ảnh như vậy, dẫn tới hiển thị hai chiều. Trong mode 3D rào chắn thị sai được tạo ra bởi việc điều khiển tinh thể lỏng chuyển mạch, do vậy tách ánh sáng tới hai ảnh. Điều này tạo ra các ảnh khác nhau tới mắt trái và mắt phải, tạo cảm giác độ sâu.



Ưu điểm của công nghệ rào chắn thị sai là có thể đóng mở dễ dàng rào chắn, theo các hãng sản xuất máy thu hình 3D loại này là chỉ cần dùng một phím nhấn (button) trên điều khiển xa là xong. Do đó cho phép máy thu hình có thể được sử dụng cho cả xem 2D và 3D.


Nhược điểm của công nghệ này cũng là để xem 3D trung thực thì cần phải chọn những vị trí xem tốt. Tất nhiên, cũng như công nghệ lenticular lenses việc chọn này không phải là quá khó, nhưng không phải người xem có thể thụ cảm tốt nội dung 3D ở mọi vị trí.

Dưới đây là tóm tắt cơ bản các dạng màn hình 3DTV được giới thiệu ở các hội chợ, triển lãm hoặc các buổi trình diện khác nhau gần đây. Các nhận xét chỉ để bạn đọc tham khảo vì hiện có thể có các màn hình hiện đại hơn.





Một thách thức của 3DTV là cần cung cấp một định dạng 3DTV để làm việc với tất cả các dạng màn hình đa dạng, bao gồm:

• Các hệ thống stereoscopic (tích cực và thụ động);

• Single view auto-stereoscopic (2D + depth ...);

• Phải là mở và thân thiện với các hệ thống multiview autostereoscopic đang được phát triển;

• Các kích thước màn/các khoảng cách xem khác nhau (vì hiệu ứng 3D cũng phụ thuộc vào vị trí xem);

• Hỗ trợ HDTV đang có qua anaglyph (tiềm năng).

TS. Trần Dũng Trình/Tạp chí KHKT Truyền hình