01.07.2020 przewodnik po przenośnym planetarium planetarium porady projektor

Jeśli rozważasz zakup własnego planetarium i bierzesz pod uwagę system oparty na lustrze tylko dlatego, że jest tańszy – koniecznie przeczytaj ten tekst. Zanotuj pytania i wątpliwości. I w końcu – napisz do mnie. Chętnie odpowiem!

Pisząc ten (naprawdę długi) tekst starałem się być obiektywny i nie wychwalać pod niebiosa systemu projekcyjnego z obiektywem rybie oko tylko dlatego, że sam go używam. Mam nadzieję, że prawidłowo wypunktowałem zarówno zalety, jak i wady obu konkurencyjnych systemów. Wyjaśniłem, czym chwalą się producenci systemów "lustrzanych", ale jednocześnie pokazałem, że nie zawsze działa to tak, jak w krótkich, jednozdaniowych opisach.

Jeśli trafiłeś na ten tekst przez wyszukiwarkę, zajrzyj również do poprzednich części cyklu pod tytułem "Co to jest planetarium" – krótki przewodnik:

• w pierwszej obszernie opowiedziałem o tym, czym jest planetarium i jak wyglądają różne planetaria – stacjonarne oraz przenośne,
• część druga to dokładny opis kopuły przenośnego planetarium – jej wyglądu i cech.

W trzeciej części cyklu opowiem o dwóch systemach projekcyjnych, najczęściej stosowanych w planetariach mobilnych.

System projekcyjny

Pod pojęciem systemu projekcyjnego rozumiem trzy elementy:

1. komputer,
2. projektor,
3. optyka.

Najkrócej mówiąc: system projekcyjny tworzy obraz, a kopuła pozwala go zobaczyć.

Komputer

Mówiąc w uproszczeniu, komputer jest odtwarzaczem specjalnie przygotowanych filmów i obsługuje dedykowane do planetarium oprogramowanie astronomiczne. Może to być potężna rozmiarami i mocą obliczeniową maszyna, albo zwyczajny laptop. Komputer dobieramy odpowiednio do potrzeb. W przenośnym planetarium komputer powinien być niewielki rozmiarem i lekki, ale z dużym zasobem mocy, by radził sobie z płynnym wyświetlaniem ruchomego obrazu w wysokiej rozdzielczości. Liczne urządzenia dostępne na rynku godzą te pozorne sprzeczności – kompaktowe rozmiary i dużą moc.

Projektor

Zadanie projektora jest oczywiste – wyświetlić na kopule film lub obraz nieba generowany przez specjalne oprogramowanie. Na rynku projektorów wciąż pojawiają się nowe rozwiązania techniczne i świeże modele, dlatego nie będę skupiał się na opisywaniu rozmaitych technologii tworzenia obrazu. Wspomnę jedynie, że jeszcze kilka lat temu niepodzielnie królowały projektory w technologii LCD i DLP, dzisiaj powoli wypierane przez urządzenia oparte na diodach LED oraz laserach. Po szczegóły odsyłam choćby do Wikipedii.

Przy wyborze projektora do mobilnego planetarium powinniśmy skupić się na kilku parametrach:

• rozdzielczość – minimalnie 1920x1080 (FullHD), lepiej 1920x1200 (WUXGA) lub więcej,
• jasność – im jaśniejszy obraz, tym lepiej. Nie można jednak przesadzić – nadmierna jasność obrazu w planetarium powoduje szybkie zmęczenie wzroku, a w efekcie ból głowy i rozdrażnienie,
• kontrast – ten parametr jest najtrudniejszy do obiektywnego określenia, ponieważ producenci stosują własne metody pomiaru kontrastu i podają rozmaite jego wartości, które należy traktować z dystansem. W uproszczeniu: im większy kontrast, tym lepiej,
• źródło światła – klasyczne lampy w projektorach mają stosunkowo krótką żywotność. Dla większości modeli ich producenci podają czas świecenia lampy na 2000-3000 godzin zależnie od ustawień projektora, ale w praktyce jest to znacznie mniej. Już po 1000 godzin pracy jasność lampy spada i rośnie ryzyko jej uszkodzenia ("spalenia"). Projektor pracujący w niewielkim pomieszczeniu (kopuła!), zamknięty w obudowie, zużywa się szybciej, a lampy muszą być wymieniane co kilkaset godzin. Ponieważ koszt markowej lampy lub zamiennika wysokiej jakości jest pokaźny, trzeba wziąć to pod uwagę przy zakupie projektora. W nowych projektorach źródłem światła coraz częściej jest laser – w porównaniu z klasycznymi lampami żarowymi praktycznie niezniszczalny, ponieważ deklarowany czas świecenia to co najmniej 20000 godzin – prawie 7 lat przy 8-godzinnym cyklu pracy projektora w ciągu doby!
• rozmiar i masa – powszechnie pomijany parametr. Najczęściej potencjalny użytkownik patrzy wyłącznie na rozdzielczość. Bardziej zaawansowani sprawdzają jasność i kontrast obrazu. W projektorach instalowanych na stałe rozmiar i masa urządzenia są drugorzędne – po prostu wkładamy projektor w specjalnie skonstruowaną "klatkę" lub mocujemy go do sufitu za pomocą uchwytu. Natomiast w przenośnym planetarium to, ile waży i ile miejsca zajmuje projektor, jest jedną z najważniejszych spraw. Niestety nie da się "przeskoczyć" pewnych fizycznych i technicznych ograniczeń, dlatego im lepszy (o większej rozdzielczości i jaśniejszy) projektor, tym większy i cięższy.

Dla wielu osób ogromne znaczenie ma cena projektora. To oczywiście ważny parametr, ponieważ dysponujemy określonym budżetem i musimy pokryć wszystkie wydatki, a nie włożyć wszystkie posiadane pieniądze w projektor.

Truizmem jest stwierdzenie, że im lepszy projektor, tym więcej kosztuje. Sztuką jest znaleźć złoty środek – kupić projektor o odpowiednich parametrach za akceptowalną cenę. Czasami jednak taniej na początku to drożej w dłuższej perspektywie.

Przykład: kupując projektor laserowy droższy o kilka tysięcy złotych od projektora o tych samych lub zbliżonych parametrach technicznych, ale opartego o lampy, pozornie przepłacamy. Licząc jednak średni czas życia lampy w warunkach polowych – od 500 do 1000 godzin – i koszt zakupu kilku lamp w trakcie eksploatacji możemy jednak dojść do wniosku, że projektor laserowy opłaci się bardziej.

Koszty i stres

Nie bez znaczenia jest również fakt, że ciągłe kontrolowanie stopnia zużycia lampy (czyli w praktyce obserwowanie licznika godzin pracy oraz wizualna ocena jasności obrazu) może być męcząca, a nawet stresująca, gdy lampa zbliża się do końca swej wymagającej służby.

Jeden z najmniej przyjemnych, a zarazem najbardziej kłopotliwych momentów w pracy z przenośnym planetarium to ten, gdy słychać delikatny trzask przepalającego się włókna lampy (lub głośniejszy huk, gdy jednocześnie pęka szklana bańka, w którą wtopione jest włókno). Ponieważ zazwyczaj dzieje się to podczas seansu, momentalnie robi się ciemno, a zdezorientowana publiczność zaczyna zachowywać się chaotycznie. W pierwszej kolejności należy oczywiście przerwać seans, w kilku słowach wyjaśnić, co się stało i sprawnie wyprowadzić widzów z kopuły, cały czas zachowując kontrolę nad grupą.

Pokaz oczywiście jest stracony. Poza związanym z tym poczuciem niespełnienia – zarówno u widzów, jak i prowadzącego – trzeba jak najszybciej dokonać wymiany lampy na zapasową, by po przerwie poprowadzić kolejny pokaz dla następnej grupy. Wszystko jest proste, o ile oczywiście mamy zapasową lampę ze sobą (bo może akurat dzisiaj została w domu, albo w samochodzie, do którego trzeba pójść tracąc cenny czas), i nie zapomnieliśmy o kupieniu zapasu po spaleniu poprzedniej lampy, i mamy przy sobie zestaw narzędzi do wymiany lampy, i...

To tylko niektóre przykłady z życia – każdego z powyższych przypadków oraz różnych ich kombinacji doświadczyłem na własnej skórze.

Na razie wciąż używam projektora z klasyczną lampą żarową, ale kolejny model na pewno będzie laserowy.

Obiektyw / lustro

Komputer przetwarza obraz i przesyła go do projektora. Projektor zamienia sygnał z komputera na obraz i wyświetla go na matrycy. Ta z kolei kieruje wiązkę światła na zewnątrz za pomocą obiektywu połączonego z obudową. Do tej pory sprawa jest prosta i oczywista.

Ale nie w planetarium.

Wyświetlając obraz na płaskim ekranie używamy obiektywu zintegrowanego z obudową projektora. W planetarium możemy skomplikować ten schemat i użyć niestandardowego obiektywu lub standardowy (fabryczny) obiektyw "połączyć" z lustrem sferycznym.

W dalszej części tekstu zajmę się omówieniem zalet i wad obu systemów – w pierwszej kolejności projektorów rzutujących obraz na lustro, a następnie projektorów wyposażonych w specjalny, niestandardowy obiektyw, zwany rybim okiem lub – z angielskiego – fisheye. Trochę przekornie, ponieważ sam używam rybiego oka, więc to od niego powinienem zacząć...

Zalety i wady różnych systemów projekcyjnych

Przeglądając strony producentów systemów projekcyjnych opartych na lustrze sferycznym nie sposób odnieść wrażenia, że jest to system doskonały. Na stronie ePlanetarium.com, w tabeli porównującej wady i zalety obu systemów, widzimy 16 pozycji na liście zalet (wiele z nich ma rozbudowane opisy), i zaledwie 4 pozycje na liście wad (ich opisy są z kolei bardzo lakoniczne, jakby mało istotne). Analogicznie, porównanie plusów i minusów systemu fisheye w tej samej tabeli pokazuje 3 zalety i 6 wad.

Trudno powiedzieć, kiedy powstawało to porównanie, ale wiele informacji jest nieaktualnych, a niektóre z nich mijają się z prawdą, delikatnie mówiąc. Ponieważ ePlanetarium jest wzorem dla innych, młodszych firm zajmujących się tym samym biznesem, informacje z tego zestawienia występują również na stronach innych producentów.

Również Paul Bourke – autor koncepcji wykorzystania lustra sferycznego do projekcji na kopule – wymienia cechy, które w jego opinii przeważają szalę na rzecz systemu "lustrzanego", ale czyni to znacznie bardziej powściągliwie.

Lustro sferyczne

Pozwolę sobie na początek "pożyczyć" listę minusów systemu opartego na lustrze ze wspomnianej wcześniej tabeli w witrynie ePlanetarium.com:

1. Bardzo mały obszar (mniej niż 5%) z tyłu kopuły nie jest pokryty obrazem
2. Niewielka dystorsja z tyłu kopuły, jeśli system nie został dokładnie ustawiony
3. Wymaga krótkiego czasu, by ustawić lustra (hmmm, dlaczego zatem ta informacja jest na liście wad? Czy nie jest to zaleta systemu? – przypis TL)
4. Obraz (tutaj w znaczeniu: film – przypis TL) musi być wykrzywiony (dosłownie, chodzi o wstępne zdeformowanie według siatki geometrycznej – przypis TL) przed odtworzeniem, ewentualnie może być "wykrzywiany w locie" za pomocą odpowiedniego oprogramowania.

Po lekturze tych kilku punktów może się wydawać, że są to mało znaczące szczegóły:

1. 5% bez obrazu to niewiele, po co zaprzątać sobie tym głowę? Przecież zostaje do dyspozycji 95% kopuły pokrytej obrazem!
2. "Jeśli system nie został dokładnie ustawiony" – co za problem, przecież możemy go dokładnie ustawić!
3. Żaden kłopot. Nauczę się przecież, jak szybko i poprawnie ustawiać te lustra.
4. Drobiazg. Przecież producent zaznacza, że dostarcza odpowiednio przygotowane filmy. A jeśli nie, to mogę użyć oprogramowania, o którym pisze.

Jest takie przysłowie – diabeł tkwi w szczegółach. Zajmijmy się wobec tego bliżej tymi szczegółami. Spróbujmy też wypunktować niewątpliwe zalety systemu "lustrzanego", próbując jednak spojrzeć na nie krytycznie.

Niska cena

Cena to najważniejsza zaleta systemu projekcyjnego z lustrem sferycznym.

Z mojego punktu widzenia również jedyna.

Żadne lustro, choćby najlepszej jakości, nie zastąpi porządnego obiektywu typu rybie oko. Oczywiście producenci systemów opartych na lustrze twierdzą inaczej – w końcu zależy im na tym, by ktoś kupił ich produkt. Patrząc z przeciwnej strony: w interesie producentów systemów projekcyjnych wyposażonych w obiektyw fisheye również leży podkreślanie zalet tego rozwiązania i uwypuklanie wad konkurencyjnego systemu.

W takim razie dlaczego niemal wszystkie cyfrowe planetaria stacjonarne używają projektorów z rybim okiem, chociaż są one droższe od luster...? Odpowiedzi na to pytanie udzielę później.

Łatwa wymiana projektora

To niewątpliwy plus. Załóżmy, że rozpoczęliśmy pracę z projektorem FullHD (1920x1080). Po pewnym czasie dochodzimy do wniosku, że przydałaby się większa rozdzielczość. Kupujemy zatem projektor WUXGA (1920x1200) i po prostu zamieniamy jedno urządzenie na drugie, używając tego samego lustra sferycznego. Nic nie stoi na przeszkodzie, by projektor o mniejszej rozdzielczości traktować jako backup, czyli rozwiązanie zapasowe na wypadek awarii podstawowego sprzętu.

Więcej miejsca dla widowni

Tak, to duża zaleta systemu opartego na lustrze. Ponieważ "lustrzany" system projekcyjny musi być umieszczony możliwie blisko krawędzi kopuły, środek pozostaje wolny i zyskujemy dodatkową przestrzeń. Widzowie mogą obrócić się tyłem do projektora i patrzeć na kopułę w jednym kierunku, jak w kinie.

Lepsze wykorzystanie rozdzielczości projektora

To, że projektor rzutujący prostokątny obraz na lustro sferyczne wykorzystuje więcej punktów (pikseli) w porównaniu z obiektywem rybie oko, oczywiście przy identycznej rozdzielczości, jest faktem bezdyskusyjnym. Wynika to po prostu z geometrii. Dobrze ilustruje to poniższy schemat, zapożyczony z witryny Paula Bourke'a – człowieka, który rozpowszechnił lustro sferyczne jako tańszą alternatywę dla obiektywów fisheye:

Jak widać, lustro sferyczne (zasadniczo powinno się o nim mówić ćwierćsferyczne, ponieważ jest to wycinek sfery) odbija dużą część prostokątnego obrazu, czyli całkiem nieźle wykorzystuje możliwości projektora. Obliczając idealny przypadek "laboratoryjny" dla projektora FullHD (1920x1080), dochodzimy do wniosku, że lustro powinno odbić 58% więcej punktów obrazu niż jest w stanie wytworzyć obiektyw fisheye. Używając projektora WUXGA (1920x1200) przewaga ta nie jest już tak imponująca w ujęciu liczbowym – zyskujemy (tylko? aż?) 28% więcej niż stosując obiektyw rybie oko.

Czy już sam ten fakt (w połączeniu z niską ceną) nie powinien na starcie dyskwalifikować systemu fisheye...?

Weźmy jednak pod uwagę, że:

• trudno jest w warunkach "polowych", czyli w kopule, osiągnąć to, co środowisku testowym ("laboratoryjnym"),
• filmy do planetarium tworzone są w zdecydowanej większości w technice rybiego oka (okrągła klatka). W kopule raczej nie wyświetlamy prostokątnych obrazów, ponieważ wtedy tracimy to, co czyni planetarium tak unikalnym miejscem – wrażenie otoczenia obrazem,
• przekształcając oryginalny film fisheye na lustro – czy to w "locie" (on-the-fly, w czasie rzeczywistym), czy stosując tzw. pre-warp (uprzednią transformację klatek okrągłych na "lustrzane", a następnie stworzenie z nich filmu), tracimy na jakości obrazu,
• Paul Bourke, "ojciec" projekcji z użyciem lustra sferycznego, zaleca, by samemu stworzyć siatkę zniekształceń dla swojego projektora i kopuły, by "wycisnąć" ze sprzętu maksimum możliwości. To skomplikowana rzecz, w zasadzie poza umiejętnościami zwykłego użytkownika systemu. Uczciwie trzeba dodać, że sam Paul udostępnia przykładowe siatki, które powinny wystarczyć do podstawowej projekcji.

Dlatego właśnie wady i niedające się skorygować deformacje obrazu wyświetlanego za pomocą lustra sferycznego zdecydowanie obniżają wartość tego rozwiązania w porównaniu z systemem fisheye. Wypunktowane wyżej problemy rozwinę w kolejnych akapitach.

Kopuła to nie kino

Ustawienie zestawu z lustrem sferycznym poza środkiem kopuły jest zaletą tylko w przypadku specjalnie przygotowanych filmów. Dlaczego? Już wyjaśniam.

Większość współczesnych planetariów stacjonarnych buduje się tak, by widownia i kopuła były pochylone pod kątem kilkunastu stopni. To "kinowe" podejście pozwala na maksymalne zapełnienie fotelami sali projekcyjnej (pomijając rzecz jasna dojścia do rzędów, nieco wolnej przestrzeni przed pierwszym rzędem i przestrzeń techniczną za ostatnim rzędem) i nieco większy komfort oglądania. Ze względu na takie ustawienie widowni (wszyscy widzowie siedzą zwróceni twarzami w tę samą stronę) produkowane dla planetarium cyfrowego filmy pokrywają całą kopułę obrazem, jednak w praktyce większość scen dzieje się w ograniczonym polu widzenia – mniej więcej takim, jaki przeciętny człowiek jest w stanie objąć wzrokiem bez obracania głowy na boki.

Oczywiście żaden producent filmów fulldome nie tworzy ich wyłącznie dla planetariów przenośnych – pod względem liczby widzów to zbyt mały rynek w porównaniu z dużymi planetariami stałymi. Ale kopuła pozostaje kopułą, dlatego filmy fulldome z powodzeniem możemy wyświetlać i w niewielkich nadmuchiwanych namiotach, i w salach projekcyjnych mieszczących setki osób.

Problemy z oglądaniem nieba

Problem zaczyna się, gdy zamiast filmu chcemy pokazać niebo. Oczywiście jeśli ktoś decyduje się na zakup przenośnego planetarium i wyświetlanie w nim wyłącznie filmów, to ten problem dla niego nie istnieje. Zakładam jednak, że planetarium będzie wykorzystywane głównie (albo również) do tego, do czego zostało stworzone i co odróżnia je od innych pomieszczeń wyposażonych w ekran. Krótko mówiąc – do pokazywania nieba w dzień i w nocy.

Spróbujmy wyobrazić sobie sytuację, że wyświetliliśmy niebo na kopule; niebo w ciągu dnia, z wędrującym po nim Słońcem. Niebo z definicji jest czaszą, półsferą – wyjaśniałem to obszernie w artykule Przewodnik po planetarium. Kopuła. Jeżeli w planetarium wyposażonym w lustro sferyczne zwróceni jesteśmy twarzą w stałym kierunku, to musimy włożyć pewien wysiłek w sprawdzenie, co dzieje się za naszymi plecami. Musimy po prostu obrócić się o około 180 stopni. Dla niektórych widzów, mających kłopoty z układem ruchu, może to być fizycznie męczące.

Na wielu zdjęciach z planetariów wyposażonych w lustra sferyczne widać widzów leżących na podłodze, często podpartych poduszkami pod głowami. Pomijając kwestie higieny, w jaki sposób widz może spojrzeć za siebie leżąc w takiej pozycji? Jest to w praktyce niemożliwe i wymaga radykalnej zmiany ustawienia ciała. Jedni siadają, inni się obracają i w sumie przeszkadzają sobie nazwzajem.

Kolejna sprawa: jeśli zestaw projekcyjny ustawiony jest tak, jak prawa optyki nakazują, czyli blisko krawędzi kopuły, pojawiają się kolejne problemy. Widz spoglądający w stronę lustra zobaczy silne odbicie światła rzucanego przez projektor na lustro. Możesz spytać: po co w takim razie patrzeć na lustro? Nie chodzi jednak o patrzenie na lustro jako takie, tylko oglądanie obrazu w jego bezpośredniej okolicy. Jeśli wyświetlamy obraz nieba i objaśniamy różne zjawiska lub opowiadamy o widocznych ciałach niebieskich, prędzej czy później będziemy chcieli pokazać coś, co dzieje się po tej stronie, po której ustawiliśmy zestaw projekcyjny. Nie dość, że utrudnia nam to, lub nawet uniemożliwia, blask światła odbity od lustra, to jeszcze deformacje obrazu w pobliżu lustra sferycznego są bardzo duże, wręcz groteskowe.

Teoria mówi, że obraz rzutowany na lustro i poddany odpowiednim transformacjom (przekształceniom geometrycznym) powinien być porównywalnej jakości z tym, który daje obiektyw rybie oko. Niestety, jak to często w życiu bywa, praktyka rozmija się z teorią. W idealnych warunkach ten efekt daje się osiągnąć kosztem pewnych dodatkowych zabiegów. Nawet niektóre planetaria stacjonarne z ograniczonym budżetem na wymianę lub rozbudowę systemu projekcyjnego decydują się na zastosowanie lustra sferycznego. Między innymi takie modernizacje wykonuje wspomniany wcześniej Paul Bourke – do istniejącego projektora optomechanicznego, z którego planetarium z różnych powodów nie chce albo nie może zrezygnować i w całości zastąpić systemem cyfrowej projekcji, dokłada lustro i projektor. Dzięki temu stara kopuła dostaje "nowe życie" dzięki cyfrowej technologii fulldome.

Przykład z życia wzięty

Ale nasze rozważania dotyczą przecież głównie planetarium mobilnego. Spróbujmy wyobrazić sobie przygotowanie do pracy takiego małego planetarium, wyposażonego w lustro sferyczne.

Rozkładamy kopułę – jak wiemy z poprzedniej części cyklu, to prosta i szybka czynność. Umieszczamy w jej wnętrzu zestaw projekcyjny, na razie zamknięty w opakowaniach transportowych – skrzyniach lub kartonach. Wyjmujemy po kolei elementy zestawu i składamy je, by rozpocząć projekcję. Ustawiamy i mocujemy lustro, a następnie podłączamy projektor i laptopa. W pierwszym przybliżeniu staramy się równomiernie pokryć kopułę obrazem, ustawić wysokość horyzontu i tak dalej. Kalibrujemy zestaw tak długo, aż jesteśmy zadowoleni z efektu.

Czekamy na pierwszą grupę młodych widzów. W końcu spokojnie wchodzą (albo wpadają biegiem...) do sali. Po przywitaniu i krótkim wprowadzeniu zapraszamy grupę do kopuły. Wchodzimy na końcu, widzowie zajmują miejsca, a my siadamy przy swoim stanowisku, czyli zestawie projekcyjnym. Jednocześnie zauważamy, że horyzont jest na innej wysokości niż go ustawiliśmy. Dokonujemy drobnych korekt, poruszając jednocześnie całym obrazem. Ustawiamy na nowo ostrość. Widzowie głośniej lub ciszej komentują te zmiany. Po krótkiej chwili zaczynamy projekcję filmu albo pokaz nieba.

W pewnym momencie ktoś niechcący uderza nogą w podłogę albo zmienia pozycję ciała. Podłoga zaczyna niedostrzegalnie drgać, a razem z podłogą w drgania wpada nasza misterna konstrukcja. Nawet betonowa podłoga przenosi drgania, a ponieważ większość sal gimnastycznych w szkołach jest pokryta drewnianym parkietem, takie zachowanie podłogi nie powinno nas dziwić.

Nieważne, jak solidnie przymocujemy lustro do pomocniczego stolika – ono również zaczyna drgać. Gołym okiem tego nie zobaczymy, ale... No właśnie. Razem z lustrem drga cały obraz. Z początku wywołuje to lekkie rozbawienie widowni, jednak obraz uspokaja się; drgania wygasają. Po chwili ktoś celowo tupie albo uderzą dłonią w podłogę. Do pierwszego dowcipnisia dołączają kolejni. Zatrzymujemy seans, udzielamy małej reprymendy, i kontynuujemy pokaz. Ale przecież ten ruszający się obraz był taki fajny! I znowu jakaś dłoń albo stopa uderza w podłogę...

Mając takie "z życia wzięte" doświadczenie nareszcie rozumiemy, dlaczego wśród wad systemu "lustrzanego" pojawiła się dyskretnie podana informacja: Wymaga krótkiego czasu, by ustawić lustra. Nie jest to wcale taki krótki czas, nie jest to również jednorazowa czynność. Ustawianie układu projektor-lustro (lub lustra) to proces ciągły.

Moje doświadczenia

Powyższy przykład nie jest wydumany. Dawno, dawno temu zbudowałem zestaw złożony z projektora i lustra, pomimo tego, że dysponowałem już zestawem z obiektywem fisheye, i poddałem go intensywnym testom.

Zrobiłem to z dwóch powodów. Pierwszym była ciekawość – jak spisuje się taki zestaw? Jakiego obrazu mogę się dzięki niemu spodziewać? Czy jakość będzie zbliżona do centralnie umieszczonego projektora z obiektywem rybie oko? Czy często i chętnie podawany przez producentów zestawów z lustrem argument w postaci większej liczby wykorzystywanych pikseli naprawdę ma znaczenie? Drugim powodem była chęć stworzenia zestawu zapasowego na wypadek awarii, uszkodzenia lub zniszczenia mojego podstawowego projektora.

Nie wgłębiając się zbytnio w zagadnienia techniczne (konstrukcję skrzyni, mocowanie lustra) powiem krótko – byłem rozczarowany. Próby "laboratoryjne" (w domu oraz rozłożonej do celów testowych kopule) wypadły znacznie poniżej moich oczekiwań.

Na pewno problemem były zastosowane lustra. Piszę w liczbie mnogiej, ponieważ w moim zestawie zastosowałem dwa lustra – płaskie i sferyczne. To powszechnie stosowany schemat w zestawach "lustrzanych". Dzięki wykorzystaniu zwierciadła płaskiego, na które pada wiązka światła z projektora, oraz sferycznego, do którego dochodzi wiązka odbita od lustra płaskiego, możemy zmniejszyć rozmiary całego zestawu.

Jak zbudowane jest lustro?

Obraz zapewne byłby lepszy, gdybym zastosował inne zwierciadła. Tak naprawdę to właśnie sposób wykonania luster wpływa na jakość projekcji. Dlaczego? Oto krótki wykład z optyki.

Zazwyczaj nie zastanawiamy się nad budową zwykłego, domowego lustra. Można wyróżnić w nim trzy warstwy: szkło, materiał odbijający (zazwyczaj srebro), podkład ochronny. Wiązka światła padająca na lustro przechodzi przez warstwę szkła, odbija się od pokrytej srebrem powierzchni i ponownie przechodzi przez warstwę szkła. W tym czasie ulega dwukrotnemu załamaniu na granicy szkła i powietrza. Każde załamanie zmienia bieg promieni i nieco deformuje wiązkę światła, w dodatku promienie o różnej długości (różnych barwach) załamywane są w różnym stopniu.

Można temu zapobiec nanosząc materiał odbijający bezpośrednio na szkło, by był on pierwszą warstwą, na którą padnie światło, natychmiast się od niej odbijając i nie załamując. Rozwiązanie problemu wydaje się zatem bardzo proste.

Jednak wyprodukowanie takiego zwierciadła, fachowo nazywanego first surface mirror, jest bardzo trudne. Srebro lub aluminium muszą być napylone cienką warstwą o równej grubości na całej powierzchni. Sprawy nie upraszcza fakt, że lustro jest wycinkiem sfery. Dlatego też wysokiej jakości first surface mirror wykonane z lekkiego akrylu jest drogie. W systemie z dwoma lustrami (płaskim i sferycznym) oba powinny być zwierciadłami typu first surface.

Mało tego – zwierciadło z warstwą odbijającą naniesioną na powierzchni jest bardzo podatne na uszkodzenia. Producenci systemów opartych na lustrze dołączają do nich długą listę czynności, zakazów i ostrzeżeń. Nie dotykać palcami, nie dmuchać (kropelki śliny mogą osadzić się na powierzchni), czyścić wyłącznie w razie konieczności i z najwyższą ostrożnością. Każde zarysowanie czy inne uszkodzenie warstwy odbijającej jest nieodwracalne. Kumulujące się uszkodzenia powodują stopniowe pogorszenie jakości wyświetlanego obrazu. Obecnie produkowane lustra typu first surface mają bardzo cienką warstwę ochronną (ale czy w tym wypadku nadal możemy mówić o nich first surface mirror...?) i z zachowaniem ostrożności można je utrzymywać w czystości.

Ponieważ w kopule trudno o idealny porządek i czystość, trudno oczekiwać, by zwierciadło przetrwało w doskonałym stanie przez dłuższy czas. Albo zostanie podrapane przypadkiem, albo zabrudzone palcami ciekawskich dzieci, albo w inny sposób naruszymy jego strukturę. Mamy zatem do wyboru: użyć gorszej jakości lustra z warstwą odbijającą napyloną od środka, które trudniej uszkodzić, albo lepszej jakości first surface mirror bardzo podatnego na uszkodzenia.

Mówiąc krótko: kopuła podczas pracy to nie clean room w laboratorium, w którym możemy utrzymywać sterylne warunki. W "pomieszczeniu czystym" jest... czysto, w kopule, hmmm, niespecjalnie.

Transformacje, deformacje, estymacje...

Producenci filmów do planetarium bardzo często dostarczają swoje produkcje w jednym formacie – serii okrągłych obrazów wpisanych w kwadratowe klatki, zazwyczaj o wymiarach będących potęgami liczby 2 (1024, 2048, 4096). Czasami robią ukłon w stronę użytkowników, generując klatki o boku 1080, 1200 czy 1600 pikseli – długości krótszego boku matrycy popularnych projektorów. Takie klatki, z których samodzielnie należy stworzyć film, nazywane są domemasters.

Bardzo niewielu producentów zaprząta sobie głowę przygotowaniem swoich filmów do wyświetlania w systemach z lustrem sferycznym. Zadanie odpowiedniego spreparowania filmu spada najczęściej na użytkownika.

Dokonując odpowiednich przekształceń matematycznych można z okrągłej klatki fisheye uzyskać półokrągłą klatkę "lustrzaną". Przyglądając się dwóm obrazom przedstawiającym tę samą scenę lub obiekt z łatwością zauważamy deformacje klatki "lustrzanej". Widać je zwłaszcza na krawędziach, gdzie odkształcenia są największe. W teorii lustro powinno odwrócić te zniekształcenia, ale... to tylko teoria. W praktyce nigdy nie uzyskamy obrazu ostrego i pozbawionego deformacji, używając systemu projekcyjnego z lustrem sferycznym. Choćby nie wiem jak przekonywali nas producenci tych systemów, jest to największa wada tego rozwiązania.

Jakie jest rozwiązanie tego dylematu?

Czy powinniśmy usiąść i płakać?

Oczywiście, że nie. Wystarczy skorzystać z konkurencyjnego rozwiązania – systemu projekcyjnego zaopatrzonego w tzw. rybie oko.

Rybie oko (fisheye)

Na początek nieco teorii. Obiektyw typu rybie oko (fisheye) to szczególny rodzaj obiektywu. Charakterystyczna wypukła soczewka jest ostatnim elementem skomplikowanego układu optycznego, który wyświetla obraz (albo utrwala na fotografii) w pełnym kącie 360 stopni w poziomie i około 180 stopni w pionie.

Inaczej mówiąc: za pomocą obiektywu fisheye uzyskujemy pełną panoramę w poziomie oraz w pionie. Na jednej klatce mieści się cały nieboskłon.

Z tego powodu rybie oko jest "jedynym słusznym" rozwiązaniem w planetariach stacjonarnych, korzystających z cyfrowej projekcji. Jak wspomniałem w rozdziale Problemy z oglądaniem nieba, spotyka się również systemy oparte na lustrze, ale stanowią one margines wszystkich instalacji.

W małym planetarium – przenośnym lub stałym – wystarczy jeden centralnie umieszczony projektor, aby bez dodatkowych zabiegów i, co ważne, bez zniekształceń, wyświetlić obraz nieba – a w zasadzie dowolny obraz pokrywający całą kopułę, i to używając powszechnie dostępnych, standardowych plików dostarczonych przez producentów lub fotografów zajmujących się technologią fulldome.

W powyższym rozbudowanym zdaniu, zajmującym cały akapit, zaprzeczyłem wszystkim wadom systemu opartego na lustrze.

Nie potrzebujemy trzęsących się i podatnych na uszkodzenia luster. Nie chuchamy na nie, ani nie dmuchamy (ach, przepraszam – zapomniałem, że na lustro sferyczne nie można dmuchać ani chuchać!). Nie drżymy o ślady dziecięcych palców (cóż, na obiektywie też bywają, ale łatwo jest wyczyścić). Nie denerwujemy się drgającym obrazem, zniekształceniami, bezustannym poprawianiem ustawienia całego systemu.

Po prostu: ustawiamy projektor z dołączonym do niego obiektywem fisheye dokładnie pośrodku kopuły, podłączamy komputer, odpalamy system – i po minucie lub dwóch możemy zaczynać, praktycznie z marszu.

Wygodne, prawda?

Wady systemu fisheye

Oczywiście, są i wady rybiego oka, chętnie punktowane przez producentów systemów z lustrem. Ponownie "pożyczam" listę ze strony ePlanetarium.com:

1. Znacznie droższe
2. Projektor połączony z obiektywem. By go serwisować, należy odesłać całość do producenta, z przymusową przerwą w pracy
3. Brak możliwości łatwej rozbudowy/wymiany projektora – nie można podłączyć rybiego oka do dowolnego projektora bez modyfikacji
4. Obiektywy zapasowe są bardzo drogie (10 razy droższe od lustra)
5. Mniej wyświetlanych pikseli
6. Skrzynia transportowa jest ciężka; musi być wysyłana oddzielnie, a nie przewożona jak bagaż

Rozwinę teraz te zastrzeżenia i obalę niektóre z nich.

Cena

To prawda. Nie da się ukryć, że dobry obiektyw typu rybie oko jest znacznie droższy od lustra sferycznego. Nie wiem co prawda, dlaczego wśród minusów systemu fisheye dwukrotnie pojawia się argument wysokiej ceny (punkty 1 i 4), ale tak właśnie jest. Nie zgodzę się z natomiast ze stwierdzeniem, że obiektyw fisheye jest 10-krotnie droższy od lustra sferycznego. Taki obiektyw jest bowiem kilkadziesiąt (nawet ponad 100) razy droższy od lustra.

Chwila, stop. Czy tym stwierdzeniem nie strzelam sobie w stopę? Po co podkreślać tę różnicę?

Cóż, mówiąc o obiektywie tak drogim, że mogę w jego cenie mieć kilkadziesiąt luster, mam na myśli porządną konstrukcję optyczną, np. znanej na tym rynku firmy Navitar. Niektórzy producenci przenośnych planetariów, choćby amerykańska firma Digitalis, stosują własne rozwiązania i własne obiektywy. Są one jednak częścią ich systemów i nie można ich kupić oddzielnie.

Mała dygresja: są oczywiście Chińczycy i AliExpress. Ale to zupełnie inna historia, o której sporo mógłby opowiedzieć dyrektor jednej z polskich firm, zajmujących się instalacjami systemów audio i wideo. Aby się nie rozwodzić, napiszę krótko: nie ryzykuj.

Jednocześnie zwierciadło tak tanie, że stanowi ułamek ceny dobrego obiektywu, nie jest lustrem typu first surface. Odpowiednie do planetarium lustro first surface też nie jest tanie (właściwie dwa lustra – płaskie i sferyczne). Ale jak już pokazałem, tanie zwierciadło jest niskiej jakości i pogarsza obraz.

Połączenie projektora z obiektywem

W zasadzie trudno mi polemizować z tym stwierdzeniem. Owszem, w używanym przeze mnie zestawie mojego przenośnego planetarium obiektyw i projektor są zamknięte we wspólnej obudowie. Ale do serwisowania (wymiany lampy, czyszczenia, naprawy) wcale nie muszę odsyłać całości do producenta. Po prostu odkręcam kilka śrubek i mam swobodny dostęp do poszczególnych elementów. Mogę nawet samodzielnie zdemontować cały układ optyczny, jeśli mam taką potrzebę.

W innym posiadanym przeze mnie zestawie (ten akurat pracuje we Wrocławiu, w planetarium Instytutu Astronomicznego Uniwersytetu Wrocławskiego) obiektyw jest połączony z projektorem, ale nie jest to połączenie "na zawsze". Producent projektora nawet nie wyposaża go w jeden standardowy obiektyw. Zamiast tego dostarcza listę pasujących do niego obiektywów z odpowiednim mocowaniem. To pozwala na znaczną elastyczność i szersze zastosowanie sprzętu. W razie potrzeby obiektyw można bardzo łatwo odłączyć od projektora i wymienić na inny.

Brak możliwości rozbudowy lub wymiany projektora

To nieprawda. Owszem, wybierając zestaw projekcyjny kupujemy projektor i pasujący do niego obiektyw. Od tej pory oba mają pracować w duecie. Tyle że jest to sprzęt na tyle dobry, że naprawdę nie widzę potrzeby zmiany projektora po krótkim czasie. Jeśli projektor ulegnie awarii, mogę go wymienić na inny z takim samym montażem.

Mniej pikseli na kopule

To prawda. Łatwo to obliczyć znając rozdzielczość projektora. Obraz fisheye to koło wpisane w kwadrat lub prostokąt. Średnica tego koła (w innym ujęciu bok kwadratu lub krótszy bok prostokąta) to po prostu krótszy bok matrycy projektora. Korzystając z projektora FullHD (1920x1080) dostajemy koło o średnicy 1080 pikseli, czyli świecącą powierzchnię złożoną z ok. 916000 pikseli. Projektor WUXGA (1920x1200) pozwoli wyświetlić koło o średnicy 1200 pikseli i powierzchni ok. 1131000 pikseli.

Idealny, "laboratoryjny" system z lustrem sferycznym wyświetla ok. 1449000 pikseli w obu standardach (FullHD i WUXGA).

Uczciwie należy dodać, że obiektywy rybie oko nie są doskonałe. Im dalej od osi optycznej, czyli im bliżej krawędzi obiektywu, tym większa jest aberracja chromatyczna, objawiająca się niebieskim lub fioletowym zabarwieniem pikseli blisko krawędzi wyświetlanego obrazu (w przypadku nieba – w pobliżu widnokręgu).

Wynika to wprost z praw optyki i nie da się tej wady zupełnie wyeliminować. Można ją zredukować komplikując układ optyczny, dokładając dodatkowe soczewki i warstwy ochronne. Wykonanie porządnego obiektywu fisheye jest złożonym i kosztownym procesem. To dlatego obiektywy tego typu, zwłaszcza duże i jasne, przeznaczone do profesjonalnych projektorów, są drogie.

Wrócę na chwilę do większej liczby pikseli wyświetlanych na kopule z użyciem lustra sferycznego. Przed chwilą wspomniałem o aberracji chromatycznej (zmianie barw) obiektywu rybie oko. Trzeba wyraźnie zaznaczyć, że lustro podlega tym samym prawom fizyki i aberracja chromatyczna również się pojawia.

Poza tym, o czym rzadko wspominają producenci systemów z lustrem sferycznym, bo jest to "niewygodna" cecha, wielkość pikseli na kopule zmienia się wraz z odległością od lustra – im dalej, tym większe i bardziej rozciągnięte są piksele. Trudno jest również "złapać ostrość" obrazu we wszystkich obszarach.

W stałej instalacji, w planetarium stacjonarnym, można tak skalibrować system projekcyjny, by zminimalizować te wady. Ale planetarium przenośne to zupełnie inne środowisko, zgadza się?

Utrudniony transport

Trudno mi powiedzieć, co autor lub autorka tego punktu miał/miała na myśli. Prawdopodobnie chodzi o to, że duży projektor z dużym obiektywem potrzebuje dużej skrzyni. Duży projektor, duży obiektyw i duża skrzynia dużo ważą. Nie można ich zatem wziąć na pokład samolotu jako bagaż podręczny, tylko trzeba nadać całość do luku bagażowego. Koszty transportu i prawdopodobieństwo uszkodzenia sprzętu rosną.

Tak, to może być problem. Ale nie w Polsce, którą w ciągu kilku godzin da się przejechać samochodem z południa na północ i ze wschodu na zachód. W Stanach Zjednoczonych, gdzie odległości są trudne do wyobrażenia dla Europejczyka, a samolot jest środkiem transportu tak naturalnym jak u nas pociąg czy autobus, faktycznie może to stanowić kłopot. Zwłaszcza, jeśli producent wozi swoje produkty (zestawy projekcyjne) z jednej konferencji czy targów na kolejną imprezę.

Uznajmy zatem, że ten kłopot nas nie dotyczy, a całość da się schować w samochodzie osobowym (tak jak w moim przypadku) lub busie (jeśli ktoś miałby naprawdę dużo dodatkowego sprzętu).

Podsumowanie

Jak zwykle, czas na krótki bilans. Tekst jest wyjątkowo długi, przyznaję.

Mogłem, rzecz jasna, napisać wszystko w punktach, jak zwykle robią na swoich stronach producenci sprzętu. Mogłem, ale nie chciałem. Być może pewne zagadnienia wyjaśniłem zbyt rozwlekle i łopatologicznie. Uznałem jednak, że temat trzeba rozwinąć i dogłębnie omówić. Niczego nie wymyśliłem ani nie zmyśliłem. Oparłem się na swoich osobistych doświadczeniach z dwoma konkurencyjnymi systemami.

Ponieważ od początku używam systemu fisheye, znam jego zalety. Z mojego punktu widzenia wadą było jedynie to, że musiałem przez dłuższy czas oszczędzać na zakup projektora z tym obiektywem, a w dodatku kupić go za twardą walutę. Od chwili, gdy zacząłem myśleć o własnym planetarium, nie było dla mnie innej opcji niż rybie oko. A z pewnością nie było nim lustro sferyczne.

W zasadzie, sprowadzając całość mojego wywodu do kilku zdań, można byłoby stwierdzić tak: lustro jest fajne, bo jest tanie. Gdyby obiektywy rybie oko były dużo tańsze, nie byłoby potrzeby tworzenia systemów z lustrem sferycznym.

Post scriptum

Tworząc plan tego wpisu zamierzałem napisać również o niektórych producentach systemów projekcyjnych dla przenośnych planetariów. Nie spodziewałem się jednak, że w miarę pisania tekst aż tak "spuchnie". Dlatego nie będę przedłużał go jeszcze bardziej. O producentach napiszę następnym razem.

Dziękuję za cierpliwość podczas lektury!