Occhiali e display 3D. Quali ti stanno meglio?

Febbraio 2010. Le realizzazioni di display 3D Ready si sono finora concentrate su due tipologie principali: Display polarizzati e Display per occhiali attivi.

I display polarizzati LCD sono costituiti da vari strati che consentono la separazione di polarizzazione, del tipo diagonale o circolare, per ciascuna delle due immagini L e R interlacciate in un unico quadro per punti o per linee. Per la visione delle immagini 3D vengono impiegati occhiali passivi con lenti a polarizzazione lineare o circolare.
I display polarizzati utilizzano la tecnologia Xpol Stereoscopic 3D sviluppata dalla ditta giapponese Arisawa che impiega strati di micropolarizzatori applicati direttamente sul pannello LCD (figura 1). Il display consente di vedere sia le due immagini L e R affiancate per controllarne la qualità sia le due immagini interlacciate a polarizzazione lineare o con polarizzazione circolare.

Figura 1. Il display polarizzato impiega strati applicati direttamente sul pannello LCD per polarizzare in modo incrociato le righe delle immagini L e R.

I display per occhiali attivi consentono di vedere alternativamente le immagini L e R in sequenza temporale attraverso un opportuno sistema di sincronizzazione degli occhiali attivi.
Sono necessari tempi di risposta dei pixel al max di 6 msec per evitare problemi di ghosting, per questo i primi sistemi 3D con shutter glasses hanno utilizzato DLP per la retroproiezione e plasma per visione frontale, per via dei tempi di risposta più veloci rispetto agli LCD.
I display per occhiali attivi non richiedendo strutture di polarizzazione particolari, sono (per ora) meno costosi dei display a polarizzazione (figura 2).

Figura 2. Il display per occhiali attivi prevede un comando IR
per sincronizzare il funzionamento degli occhiali.

Occhiali 3D attivi e passivi
Per quanto riguarda gli occhiali, i modelli maggiormente in uso sono sostanzialmente di tre tipologie: a polarizzazione circolare, a polarizzazione lineare e a lenti attive (shutter glasses).

Negli occhiali a polarizzazione circolare la luce (con polarizzazione circolare in senso sinistrorso) passa solo attraverso la lente che contiene il filtro per far passare la luminosità del display con la stessa polarizzazione, mentre viene bloccata dall'altra lente che contiene il filtro per far passare solo la luce polarizzata circolarmente in senso destrorso: il processo è inverso per la luce polarizzata circolarmente in senso destrorso.
La polarizzazione circolare ha il vantaggio che il filtraggio dell'immagine non risente dell'eventuale inclinazione della testa dello spettatore che inforca gli occhiali. è il sistema utilizzato nei sistemi di proiezione del cinema digitale realizzati da RealD, impiegato in oltre il 50% delle sale 3D (figura 3).

Figura 3. Gli occhiali a polarizzazione circolare proposti per la TV 3D sono già utilizzati nelle sale cinematografiche che impiegano il sistema RealD 3D.

Negli occhiali a polarizzazione lineare le due lenti sono polarizzate linearmente in due direzioni ortogonali fra loro. In tal modo ogni occhio riceve solo la luce di una delle riprese L o R in 3D. è il sistema utilizzato nelle sale Imax 3D e nei grandi parchi di divertimento (figura 1).

Gli occhiali a lenti attive (shutter glasses) montano lenti a cristalli liquidi rese trasparenti da una tensione di comando oppure oscurate in sincronismo con le immagini L e R presentate sul display a 100/120 Hz. Il comando di sincronismo viene inviato agli occhiali da un trasmettitore all'infrarosso posto sul display a sua volta regolato dal controllo di blanking posto in ciascuna immagine. Gli occhiali incorporano un ricevitore IR e una batteria di alimentazione (figura 4).

Figura 4. Gli occhiali a lenti attive o “shutter glasses” integrano un ricevitore IR e una batteria di alimentazione.

Gli occhiali attivi sono più costosi degli occhiali polarizzati (almeno 50 euro contro 0.5 euro) e vanno ripuliti dopo l'uso. Per queste ragioni il loro impiego è previsto solo in ambito domestico e non nelle sale cinematografiche.
LG prevede che il mercato delle televisioni 3D supererà i 30 milioni di unità nel 2012 e che, moltiplicati per 3-4 paia di occhiali 3D richiesti per una famiglia tipo, significano un mercato di 90-120 milioni di occhiali 3D!

Soluzione di alcuni problemi
I sistemi di TV 3D di prima generazione basate sull'uso degli occhiali comportano la soluzione di alcuni problemi relativi alla qualità dell'effetto 3D e all'affaticamento degli occhi.

Crosstalk/Ghosting. La qualità dell'effetto 3D dipende molto dalla diafonia fra le immagini L e R che determina una sovrapposizione delle immagini stesse. In tal modo l'occhio sinistro vede anche una parte della immagine di destra e viceversa.
Ciò dipende dalla velocità di risposta del display e degli occhiali che, se non sufficientemente veloci, possono determinare code delle due immagini.
Per eliminare il fenomeno del crosstalk, oltre che sui tempi di risposta del display e degli occhiali, si può effettuare una pre-correzione dei due segnali.

Flicker. Se la commutazione fra immagini L e R sullo schermo non è adeguatamente veloce si avverte un “ballonzolio” dell'immagine 3D, che si riduce notevolmente fino a sparire adottando frequenze di switching di almeno 120 Hz pari a 60 fps per ciascun occhio.

Affaticamento visivo. Tutti i sistemi 3D con occhiali obbligano gli occhi ad una continua ginnastica sia per la visione alternata sia per il frequente uso di primi piani. La ginnastica dell'occhio sembra essere un po' più violenta con occhiali attivi, costretti a passare dal buio completo alla piena luminosità, che non con gli occhiali passivi dove l'occhio a cui viene preclusa la visione dell'immagine tende a ricevere ugualmente la luminosità dell'ambiente.
L'affaticamento può dipendere anche da un non corretto allineamento delle camere di ripresa, a cui si è posto definitivo rimedio nei più recenti sistemi di ripresa 3D.
L'affaticamento visivo è stato un problema delle prime versioni di film 3D, responsabili dopo circa un'ora di proiezione di generare un marcato senso di fastidio.
Nelle produzioni cinematografiche più recenti, con adeguate tecniche di ripresa e di montaggio, il problema è stato ridotto ai minimi termini.
 
Interfaccia HDMI 1.4 per i segnali 3D
La presa HDMI, a differenza di quanto avvenuto per la Scart, prontamente sostituita con l'avvento dei segnali digitali, è in continua evoluzione soprattutto per aumentare la velocità di trasferimento.
In soli 4 anni si è passati dall'HDMI 1.0 nel 2002 con un bit rate massimo di 4,9 Gb/s, alla versione 1.3 nel 2006 che arriva fino a 10,2 Gb/s. Ora, con l'arrivo dei segnali 3D, arriverà una nuova versione 1.4.

La versione HDMI 1.3 con il suo bit rate max di 10,2 Gbps, consente già di far passare segnali 1080p a 50/60 fps fra cui anche segnali 3D a 24 fps e 1080p/120 fps.
La nuova versione HDMI 1.4, rilasciata nel giugno scorso, sarà in grado di supportare risoluzioni fino a 4096 x 2160 punti @24/30Hz, la scansione a 200/240 Hz e prevede la compatibilità con la tecnologia 3D di seconda generazione con doppio flusso video 1080p (figura 5).

Figura 5. La nuova interfaccia HDMI 1.4 d'ingresso per il video è in grado di supportare le nuove versioni di segnali 3D ad alta velocità di switching e ad alta risoluzione, oltre ai segnali Ethernet e audio bidirezionali.

In particolare le nuove specifiche introducono la comunicazione bidirezionale che include la connessione Ethernet fino a 100Mbps e lo streaming del flusso audio. I dispositivi con connessione HDMI 1.4 saranno dotati di funzionalità HEC (HDMI Ethernet Channel) per condividere una connessione Internet e di trasferire contenuti multimediali senza ricorrere ad ulteriori cavi.

L'altra novità riguarda l'Audio Return Channel (ARC) necessario per inviare l'audio in arrivo al televisore ad un altro dispositivo come il sintoamplificatore, senza dover ricorrere ad ulteriori connessioni.
Mentre per le versioni precedenti il cavo e il connettore sono rimasti uguali e cambiava solo la gestione software del protocollo di trasmissione, ora per le funzionalità HEC saranno disponibili due versioni con prestazioni di data-transfer più o meno elevate.

I primi dispositivi completi di HDMI 1.4 sono stati presentati al recente CES 2010 appena conclusosi, con la prevista commercializzazione entro l'estate di quest'anno.

Le tecniche di ripresa 3D
I sistemi di ripresa 3D prevedono l'impiego di due distinte camere digitali accoppiate fra loro e montate su un unico supporto con strutture di due tipi fondamentali (figura 6):
- Camere affiancate l'una all'altra e montate su una sbarra trasversale.
- Camere montate perpendicolari l'una all'altra con l'impiego di un sistema a specchi.

Figura 6. I sistemi di ripresa 3D prevedono l'impiego di due distinte camere digitali accoppiate e montate su un unico supporto, fra loro affiancate o fra loro ortogonali.

La tecnica a camere affiancate viene utilizzata soprattutto per macchine da ripresa di ridotto ingombro, sufficiente a ridurre la distanza fra i due allineamenti. è il sistema preferito per le riprese sportive, ma viene utilizzato anche nelle riprese di film in cui le camere digitali debbono eseguire complessi movimenti.
Il metodo con camere ortogonali è più complesso ma consente di ottenere una distanza interoculare ridotta anche utilizzando le videocamere professionali da studio più ingombranti. è il sistema preferito per le riprese in studio.

Il film 3D Avatar del regista James Cameron prodotto da Twentieth Century Fox Film Corporation e Lightstorm Entertainment è stato interamente girato con telecamere HD montate con il sistema stereoscopico Fusion Camera ideato dallo stesso Cameron insieme a Vince Pace (figura 7).

Figura 7. I sistemi di ripresa stereoscopici Fusion Camera usati per girare il film 3D Avatar sono stati ideati dallo stesso regista James Cameron (al centro).

I sistemi 3D consentono di regolare la distanza e la convergenza degli obiettivi, nonché effettuare una regolazione elettronica fra i due quadri di ripresa. Nel cinema digitale le riprese L e R vengono poi corrette nell'allineamento delle geometrie e il montaggio deve evitare il brusco passaggio fra scene in primo piano e scene in profondità per evitare di affaticare gli occhi.

3ality, una delle maggiori compagnie per la produzione di pellicole stereoscopiche, ha sviluppato un dispositivo 3D per allineare perfettamente immagini prese da due camere digitali separate e posizionate una a fianco dell'altra come occhio sinistro e occhio destro e usate per girare film in 3D.

Il dispositivo risolve in particolare il problema della profondità, infatti fino a qualche anno fa il 3D di “prima generazione” risultava molto fastidioso agli occhi e dopo un periodo relativamente breve, circa 30 minuti, l'affaticamento era eccessivo.
La profondità di ogni sequenza appariva, infatti, diversa e questo metteva sotto stress l'occhio dello spettatore, mentre con la tecnologia 3ality la profondità viene fatta transitare gradualmente da una sequenza ad un'altra senza affaticare la vista.

Primizie per l'Home Entertainement
In occasione delle principali mostre internazionali come IFA di Berlino, IBC di Amsterdam e CEATEC di Tokyo sono stati presentati nuovi sistemi 3D per televisori, lettori Blu-ray e Playstation, di cui sono già disponibili alcuni prodotti commerciali, mentre di altri sono stati presentati i primi prototipi.

Tali realizzazioni 3D si possono riunire in due distinti gruppi a seconda che utilizzino occhiali passivi o occhiali attivi. Ciascun costruttore si è focalizzato su una delle due tecnologie per portare contributi decisivi per la scelta dello standard 3D e solo in pochi casi (vedi LG) il costruttore ha sviluppato prodotti con entrambe le tecnologie.

Anteprime con occhiali attivi...
Sony ha presentato una nuova famiglia di televisori Bravia 3D, a cui si affiancano con la stessa tecnica degli occhiali attivi anche altri prodotti come la linea di PC Vaio, i lettori Blu-ray Disc e, non ultima, la Playstation 3 per videogiochi in 3D (figura 8). Tali prodotti sono provvisti della nuova interfaccia HDMI 1.4, per il collegamento anche a Internet, e gli “shutter glasses” operrano alla frequenza di switching di 120 Hz.

Figura 8. Dimostrazione di videogiochi 3D per la nuova Playstation PS3 di Sony con l'impiego di un display al plasma a occhiali attivi.

Sony è particolarmente impegnata nel far accettare il proprio sistema 3D alla Blu-ray Disc Association (BDA) affinché venga adottato come standard per i dischi Blu-ray 3D. LG ha proposto schermi al plasma da 60 pollici adatti ad operare in 3D con occhiali attivi, in grado, secondo le prime informazioni ancora scarse, di offrire una definizione superiore a quella ottenibile con il sistema 3D Xpol.

Samsung ha mostrato un videoproiettore DLP a chip singolo per riprodurre immagini stereoscopiche con occhiali attivi. Le immagini 3D sono del tipo interlacciato con le linee alternativamente dell'immagine pari e dispari, con risoluzione 1920x540 perciò dimezzata in senso verticale rispetto all'HDTV.

Panasonic conferma il lancio di televisori e lettori Blu-ray Disc con tecnologia 3D entro quest'anno. Il primo modello sarà il televisore Full HD Extravaganza. La presentazione delle prestazioni 3D del televisore è stata affidata al trailer del film 3D Avatar del regista James Cameron, uscito lo scorso 18 dicembre in USA, e il 15 gennaio 2010 in Italia.

... e con occhiali passivi
LG ha posto in commercio, per ora solo in Corea, la versione 3D del suo televisore modello 47LH50 LCD da 47 pollici con occhiali a lenti polarizzate che operano con la stessa tecnologia di RealD sviluppata per il cinema 3D digitale.

JVC ha presentato due monitor LCD 3D da 1920x1080 pixel provvisti di strati filtranti a polarizzazione circolare da impiegare in combinazione a occhiali passivi a lenti polarizzate.
I modelli DT-V243G1 da 24” e GD-463D10 da 46” (con spessore di solo 39 mm) sono compatibili sia con il sistema a immagini L e R interlacciate sia con il sistema a immagini affiancate.
Gli apparecchi contengono un decoder per segnali Xpol interlacciati per assicurare immagini 3D molto ben definite senza ghosting e senza flicker. Il convertitore interno produce immagini 3D partendo da immagini 2D. Tre ingressi HDMI 1.3 per segnali video HD e 3D nei formati 1080/50i e 60i (figura 9).

Figura 9. I nuovi monitor LCD 3D di JVC sono compatibili sia con il sistema a immagini L e R interlacciate sia con il sistema a immagini affiancate.

Il modello GD-463D10 da 46” costa circa 6000 euro. I due modelli sono rivolti soprattutto al mercato professionale per monitorare la produzione di contenuti 3D (molto diffuso nei maggiori Studios di Hollywood) e per impiego medico.

Con tale monitor JVC sta affrontando anche il mercato consumer probabilmente rivedendo il prezzo. Hyundai ha posto in commercio monitor da 1920 x 1200 pixel da 24” e da 46” adatti sia alla visione 3D con occhiali a polarizzazione circolare sia alla normale visione 2D.

I monitor integrano un convertitore 3D per passare dal formato 3D side-by-side al formato 3D interlacciato oppure da un contenuto 2DT a un'immagine 3D virtuale.
Il modello Hyundai W240S da 24” costa circa 1400 euro, il modello S465D da 46” costa circa 4000 euro. Quest'ultimo è stato premiato nelle principali mostre della prima metà dello scorso anno come il miglior display professionale 2D/3D ed è finora l'apparecchio più utilizzato nelle dimostrazioni di TV 3D.

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