Алексей ПОЛЯКОВ

Чуть более полутора веков уже прошло с тех пор, как в 1851 году на Всемирной выставке в Лондоне были продемонстрированны первые стереоскопические фотографии. Долгие годы после этого стереофотография переживала бурный рост, изобретались новые средства стереофотосъёмки и демонстрации. В "новом" и "старом" свете получили распространение аттракционы, в которых посетителям демонстрировали стереоскопические снимки далёких стран и исторических событий. Со временем интерес к стереофотографии ослаб, на смену ей пришли новые увлечения, такие как кинематограф. Однако с развитием новых технологий мы становимся свидетелями роста интереса к этому "старинному" виду изобразительного искусства. Применение компьюторной техники и новых способов просмотра значительно упрощают процесс создания стереоизображений, что снова делает стереофотографию популярной. Этой статьёй мы открываем цикл публикаций, в которых кратко рассмотрим механизм построения стереоскопического изображения и некоторые методы его получения.

Термины

Аккомодация - это изменение кривизны хрусталика глаза, позволяющее сфокусировать на сетчатке глаза изображения предметов, удаленных от наблюдателя на разные расстояния.
Базис стереосъемки (стереобазис) - расстояние между точками съемки левого и правого кадра.
Дополнительные цвета - два цвета, которые при смешении образуют белый цвет, например: синий - желтый, голубой - красный, сине-фиолетовый - желто-зеленый.
Стереопара - два изображения одной и той же сцены (объекта), снятые двумя идентичными фотокамерами с двух различных точек, разнесенных горизонтально на некоторое расстояние (базис стереосъемки).
Объект нулевого параллакса (точка нулевого параллакса) - объект композиции, не имеющий параллакса (двоения) - при просмотре будет казаться распложенным в плоскости носителя стереофотографии. Остальные элементы сцены будут либо выдвинутыми вперед, и как бы висящими в воздухе (объекты переднего плана), либо "утопленными" вглубь изображения (объекты заднего плана).
Параллакс - смещение рассматриваемого объекта, вызванное изменением точки наблюдения.
Конвергенция - сведение зрительных осей при взгляде на близко расположенные объекты.

Физические основы стереоскопического зрения

Глаз человека способен воспринимать свет - одну из форм электромагнитной энергии, характеризующейся длиной волны. Волны диапазона примерно от 300 до 800 нанометров воспринимаются человеком как яркостные и цветовые ощущения. Предметы окружающего мира обладают способностью отражать (а в некоторых случаях и излучать) свет, благодаря этому они видимы для человека.

Получить представление о пространственности окружающего мира человеку позволяют ряд явлений: геометрическая и воздушная перспектива, тени и блики на поверхностях объектов, относительные размеры объектов. Изобразительные приемы, моделирующие эти явления, используются художниками с давних пор для передачи объемности трехмерных предметов, нарисованных на плоскости.

Еще один фактор, который позволяет нам судить о расположении объектов в пространстве - это их относительное перемещение при изменении точки наблюдения (ближние объекты перемещаются на фоне дальних). Это обстоятельство помогает оценить удаленность объектов при просмотре кино или наблюдении пейзажа из окна поезда. Человек, опираясь на свой жизненный опыт, интерпретирует перечисленные явления, как свидетельства трехмерности пространства при наблюдении реальных объектов и при просмотре рисунков, фотографий или кино. Причем, эффект не зависит от того, одним глазом мы смотрим или двумя.

При наблюдении объектов реального мира играет роль еще один механизм человеческого зрения, называемый аккомодацией. Мозг человека оценивает величину усилий, прилагаемых для фокусировки глаза, и это позволяет получить дополнительные сведения о расположении объектов в пространстве.

Природа наделила человека и более точным измерительным устройством - бинокулярным зрением - парой глаз, расположенных параллельно, на расстоянии 60-70 мм. За счет этого человек видит мир одновременно с двух точек зрения. В результате изображения, получаемые левым и правым глазом, слегка отличаются. Эти два изображения принято называть стереопарой. Анализируя различия между изображениями стереопары, мозг человека получает информацию об объеме и удаленности наблюдаемых объектов.

Перспективное (кажущееся) смещение рассматриваемого объекта, вызванное изменением точки наблюдения, называется параллаксом и является главным фактором в восприятии трехмерности мира (Рис. 1).

При оценке расстояний важную роль играет механизм стереоскопического зрения, называемый конвергенцией или дивергенцией (в зависимости от направленности действия).

Конвергенцией называется сведение зрительных осей при взгляде на близко расположенные объекты. Дивергенция (разведение зрительных осей) происходит при взгляде вдаль. При этом объекты, находящиеся на пересечении оптических осей выглядят четкими, а объекты, расположенные дальше или ближе, двоятся. Это двоение легко увидеть, если внимательно посмотреть на объект, расположенный на расстоянии вытянутой руки от глаз (например, на свой палец), и обратить внимание на то, как при этом выглядят более удаленные предметы. Обычно же мы не замечаем двоение, но оно обрабатывается мозгом и помогает судить об удаленности предметов. Кроме того, мозг учитывает и угол схождения зрительных осей (Рис. 2).

Именно этот механизм человеческого зрения задействуется в большинстве способов воспроизведения стереоскопических (объемных) изображений.

Методы стереофотосъемки

В основе всех методов, которые будут описаны далее, лежит принцип раздельного просмотра - левому глазу человека демонстрируется левое изображение стереопары, а правому - правое. Различия же методов заключаются в том, каким образом достигается сепарация (разделение) изображений стереопары. Таким образом, для изготовления стереофотографии требуется наличие стереопары. Обычно стереопару получают путем фотосъемки одного и того же объекта с двух точек, по своему положению имитирующих положение глаз человека. Расстояние между точками съемки левого и правого кадра называется базисом стереосъемки или просто стереобазисом.

Величина стеробазиса играет определяющую роль при создании стереофотографии. Для стереосъемки сцен удаленных до 3-5 метров вполне достаточно использовать базис равный 65-70 мм, то есть примерно равный расстоянию между глазами человека. При увеличении расстояния до фотографируемых объектов для того, чтобы получить хороший стереоэффект требуется увеличить и базис стереосъемки. Примерно рассчитать базис стереосъемки можно по следующей формуле:

B=0.03*D, где B - базис стереосъемки, D - расстояние до ближайшего объекта фотографируемой сцены.

Коэффициент 0.03 обусловлен углом схождения зрительных осей (примерно 1-2°), который обеспечивает оптимальные условия для наблюдения стереоэффекта.

Существуют также более сложные модели расчета стереобазиса, учитывающие взаимное расположение объектов сцены, параметры фотоаппарата и планируемые условия просмотра готовой стереофотографии.

Стереосъемку можно выполнять двумя способами: параллельным и направленным. При параллельном способе направление оптической оси объектива камеры не меняется (Рис. 3, а), а при направленном камера поворачивается таким образом, чтобы оптическая ось объектива была всегда направлена на центральный объект фотографируемой сцены (Рис. 3, б). Направленный способ моделирует конвергенцию глаз человека.

Достоинство параллельного способа в простоте - не надо поворачивать камеру, недостаток - требуется дополнительная обработка фотографий - компенсационный сдвиг. Компенсационный сдвиг заключается в относительном смещении фотографий стереопары таким образом, чтобы добиться нулевого параллакса (отсутствия двоения) на одном из объектов композиции (объект нулевого параллакса). Этот процесс моделирует конвергенцию глаз уже после съемки стереопары. Объекты с нулевым параллаксом при просмотре стереоизображения будут восприниматься удаленными на расстояние носителя картинки; объекты, расположенные в реальном мире ближе к фотографу - будут иметь отрицательный параллакс и казаться зрителю выступающими вперед; объекты, расположенные в реальном мире дальше объекта, по которому выполнено совмещение, будут иметь положительный параллакс и восприниматься углубленными в картинку (см. также п. 5.5). На Рис 3, а показан компенсационный сдвиг (где дельта Х - расстояние компенсационного сдвига), при котором совмещение стереопары выполнено по синей пирамидке - этот объект имеет нулевой параллакс.

После выполнения сдвига горизонтальный размер изображений уменьшается - стереопарой будут являться лишь части изображений, попавшие в зону пересечения (наложения) исходных картинок. В принципе, можно не выполнять компенсационный сдвиг, тогда все объекты фотографируемой сцены будут иметь отрицательный параллакс, и казаться выступающими вперед относительно поверхности, на которую нанесено изображение. Лишь "бесконечно удаленные" объекты, в этом случае, будут иметь нулевой параллакс.

При съемке направленным способом все наоборот: усложняется процесс фотографирования (надо поворачивать камеру), но зато полученные изображения уже являются стереопарой и, если съемка была произведена без погрешностей, то дополнительной обработки может и не потребоваться.

Направленный метод съемки в некоторых случаях позволяет получить стереоизображение, более точно воспроизводящее естественные условия наблюдения. Однако сложность такого метода заключается еще и в том, что при большой глубине сцены, параллакс объектов дальнего плана может получиться слишком большим. Это может нарушить комфортность просмотра стереоизображения. К недостаткам направленного метода также относится возможность возникновение разноракурсных аффинных искажений, что при просмотре может внести диссонанс. Поэтому этот метод применяется при съемке в специально созданных условиях.

Благодаря простоте и стабильности результатов, чаще используется параллельный метод съемки. Выполнение же компенсационного сдвига при компьютерной обработке изображений не является сложной задачей.

Техника для стереофотосъемки

Для стереофотосъемки существуют специальные двухобъективные камеры и стереонасадки на объектив для обычных фотоаппаратов. Достоинство таких устройств в том, что они позволяют получить сразу готовую стереопару изображений и могут быть использованы для съемки движущихся объектов.

Стереосъемка может быть выполнена и обычным фотоаппаратом. Причем, этот метод имеет свое преимущество - можно легко выбирать размер стереобазиса. Для удобства съемки в этом случае используется специальный штатив (штативная насадка), задача которого - обеспечить возможность передвижения камеры по горизонтали (Рис. 5).

Однако преимущество, как это часто бывает, сопровождается недостатком: необходимость перемещать камеру в процессе съемки затрудняет фотографирование подвижных объектов - за время, требуемое для перемещения камеры, сцена изменится, в результате стереопары не получится.

Скорость съемки и гибкость в выборе стереобазиса могут быть воплощены в системе из двух и более камер, закрепленных на одной шине и имеющих синхронный спуск (Рис. 6). Недостаток такой системы в сложности настройки: объективы камер должны иметь одинаковые характеристики, согласованное направление и настройку. Кроме того, цена такой системы возрастает.

Для получения стереофотографий с эффектом оглядывания применяется многоракурсная съемка. В этом случае производят съемку не только в крайних точках стереобазиса, но также и между ними - обычно от 6 до 12 снимков. В результате получается целый ряд стереопар, позволяющий при последовательном просмотре как бы заглянуть за объекты переднего плана. Выполнить такого рода съемку можно обычным однообъективным фотоаппаратом с помощью штативной насадки (Рис. 5).

Существуют также специальные камеры, способные изготовить ряд стереопар за одно мгновение, что дает возможность фотографировать движущиеся объекты (Рис. 7).

Воспроизведение объема или "не верь глазам своим"

При просмотре стереопары (или многоракурсного изображения) левому глазу демонстрируется левое изображение стереопары, правому - правое. Таким образом моделируется ситуация наблюдения реального мира двумя глазами. Однако просмотр стереофотографии имеет одно существенное отличие: аккомодация глаз происходит на поверхности картинки (носителя изображения), и стереоэффект воспринимается лишь за счет конвергенции. Такое искусственное разделение механизмов зрения дает неожиданный результат - стереоэффект воспринимается лучше, чем в реальной жизни и производит большее впечатление. Это происходит в результате того, что при наблюдении реального мира человеческий глаз "фокусируется" на том объекте, на котором сосредоточено внимание. При этом дальний план и ближний план воспринимаются расплывчато. При наблюдении же стереофотографии (снятой с большой глубиной резкости) все планы сцены воспроизведены четко.

На (Рис. 8) показана схема процесса стереовосприятия. При просмотре стереофотографии происходит следующее:
- объекты с нулевым параллаксом наблюдаются с углом конвергенции фи0 и воспринимаются расположенными на удалении носителя изображения (на рисунке синяя точка);
- объекты, имеющие на изображении отрицательный параллакс (красные точки) наблюдаются с углом конвергенции фи1 и воспринимаются выступающими вперед;
- объекты с положительным параллаксом (желтые точки) наблюдаются с углом конвергенции фи2 и кажутся "углубленными" в фотографию.

Природа этого явления заключается в способности системы глаза - мозг обрабатывать зрительную информацию в некотором диапазоне (фи=фи1-фи2) угла конвергенции и сливать сопряженные изображения в единый объемный образ. Максимальный диапазон фи составляет несколько градусов. Если параллакс изображений на стереофотографии превышает способности мозга по слиянию изображений, то комфортность просмотра нарушается, наблюдается двоение изображений. Поэтому при выполнении стереофотосъемки важно правильно выбирать величину стереобазиса.

Способы просмотра стереоизображений

После того как выполнена стереосъемка, возникает задача демонстрации полученной стереопары изображений зрителю. Для решения этой задачи за более чем полуторавековую историю стереофотографии придумано достаточно много приспособлений и способов просмотра. Рассмотрим далее наиболее популярные из них.

Стереоскоп

Возможно, это самое "древнее" устройство для просмотра стереофотографий. Его принцип заключается в непосредственном размещении перед левым глазом левого изображения стереопары, перед правым - правого. Широко распространены стереоскопы различных модификаций для просмотра стереослайдов (Рис. 9).

Широкие возможности предоставляет конструкция стереоскопа, для просмотра стереопар, напечатанных на бумаге (Рис. 10). Такая схема удобна тем, что стереокарточки могут быть легко изготовлены в домашних условиях, а при отсутствии стереоскопа их можно рассматривать, как обычные фотографии.

Благодаря четкому разделению левого и правого изображений, а также возможности регулировать дистанцию наблюдения, стереоскопы обеспечивают прекрасный стереоэффект и комфортность просмотра.

Параллельный/Перекрестный просмотр

Данный способ просмотра вообще не требует каких-либо специальных приспособлений, но зато необходима некоторая тренировка глаз. Суть этого метода в установке такого угла схождения оптических осей глаз, чтобы левый глаз наблюдал левую картинку, а правую.

При параллельном методе просмотра изображения стереопары располагаются перед глазами в порядке съемки, при перекрестном - меняются местами (Рис. 11).

Большую роль играет тренировка глаз: кто-то легко видит стерео параллельным методом, кто-то - перекрестным. Важны также размеры изображений и расстояние просмотра. Очевидно, что при данном методе просмотра при дистанции 40 - 50 см. легче будут восприниматься изображения, расстояние между центрами стереопар которых не превышает расстояние между глазами наблюдателя.

На Рис. 12 приведена стереопара для параллельного метода наблюдения. Для того чтобы увидеть стереоэффект надо смотреть "сквозь" картинку, так как будто бы наблюдаем бесконечно удаленный объект, оптические оси глаз при этом будут почти параллельны, аккомодацию же глаз надо настроить на реальное расстояние до изображения.

На Рис. 13 приведена стереопара для перекрестного метода наблюдения. Для того чтобы увидеть стереоэффект надо как бы смотреть на воображаемый объект перед изображением, оптические оси глаз при этом будут пересекаться, аккомодацию надо настроить на реальное расстояние до изображения.

Анаглифный метод

Белый свет состоит из смеси электромагнитных волн всех видимых длин, - это впервые было описано Сэром Исааком Ньютоном в "Оптике" (1704 г.). Он нашел, что белый свет расщепляется стеклянной призмой в спектр цветов, а спектр объединяется снова в белый свет. Приблизительные длины волн спектральных цветов приведены в таблице 1.

Анаглифный метод (от греч. anagliphos - рельефный) состоит в окрашивании изображений стереопары в дополнительные цвета. Окрашенные изображения демонстрируются (печатаются) "наложенными" друг на друга. Наиболее часто используется красный и сине-зеленый (бирюзовый) цвета. Это удобно тем, что данные цвета находятся на разных концах спектра, что несколько упрощает их сепарацию. Кроме того, красный, синий и зеленый цвета являются основными, т.е. в аддитивной модели синтеза цвета из этих цветов могут быть получены все остальные цвета.

На Рис. 14 показан пример анаглифного изображения. В тех участках фотографии, где яркость обоих изображений одинакова, наблюдается белый цвет различной яркости (серый, черный); там же, где разная, - видно двоение в дополнительных цветах. Это двоение является следствием различия изображений, снятых с разных ракурсов, оно и создает эффект объемности изображения.

Разделение левого и правого изображений происходит при просмотре анаглифа через цветные очки (Рис. 15).

Красное стекло пропускает только свет с длинной волны красного цвета, голубое - только волны синего и зеленого цветов. В результате левый глаз видит только левую картинку, окрашенную в красный цвет, правый глаз - только правую картинку, окрашенную в сине-зеленый цвет. Мозг обрабатывает сигналы и создает объемное изображение.

Существуют способы формирования анаглифного изображения, которые позволяют частично и даже почти полностью сохранить оригинальные цвета исходной стереопары. Однако, если в исходных изображениях присутствуют ярко - красные или ярко - синие (зеленые) объекты, то на цветном анаглифе это может нарушить разделение стереопары. В результате эти объекты будут нарушать комфортность просмотра. На Рис. 16. показаны три вида анаглифных изображений одной и той же стереопары: при любых исходных цветах монохромный анаглиф обеспечивает хороший стереоэффект, квази - цветной анаглиф смотрится тоже хорошо, на цветном начинают "бить по глазам" флаги и другие объекты красного цвета.

Анаглифный метод хорошо подходит для демонстрации стереоизображений с экрана монитора, так как в этом устройстве используется аддитивный способ формирования цвета. Полиграфическая же печать анаглифных изображений - весьма сложное дело, так как принцип формирования цвета меняется на субтрактивный, а однозначного соответствия между аддитивной и субтрактивной цветовыми моделями не существует.

Жидкокристаллические очки

Этот способ чаще всего используется при просмотре изображений на компьютере, но может также использоваться при проецировании стереоизображения на светоотражающий экран. Принцип действия заключается в следующем: - зритель надевает очки с жидкокристаллическими элементами в стеклах, которые при подаче сигнала способны становиться непрозрачными;
- на экране поочередно показываются то левое, то правое изображение. Частота смены изображений должна быть достаточно высока (не менее 60 Гц), чтобы зритель не замечал мерцания;
- синхронно с показом изображений на экране ЖК очки поочередно перекрывают световые потоки для левого и правого глаза.

Управление очками выполняется с помощью синхроимпульсов, которые могут предаваться по проводам или беспроводным способом. На Рис. 17 показаны жидкокристаллические стерео очки "E-D glasses" производства eDimensional, Inc (www.edimensional.com).

Линзовый растр (lenticular)

В основе этого способа лежит идея совмещения устройства разделения изображений стереопары с носителем стереоизображения. Это позволяет зрителю наблюдать стереоэффект как будто бы без дополнительных приспособлений. Кроме того, несколько зрителей могут одновременно просматривать такое стереоизображение.

Применить оптический линзовый растр для создания стереоизображений предложил профессор парижского университета Габриель Ионас Липпман (1845-1921). Впервые реализовать эту идею на практике удалось французскому фотографу и изобретателю Морису Бонне (Maurice Bonnet). Им была разработана методика и специальный фотоаппарат для многоракурсной съемки.

Принцип воспроизведения стереоизображения с помощью линзового растра состоит в следующем: на специально подготовленное (будем называть его кодированным) изображение накладывается пленка (или пластина) лицевая поверхность которой представляет собой множество параллельных цилиндрических линз (Рис. 18). Эти линзы обычно имеют небольшую ширину, поэтому они незаметны для наблюдателя.

Кодирование изображений стереопары состоит в "нарезке" исходных изображений на тонкие полоски и перемешивании их таким образом, чтобы под каждую линзой оказалась пара полос: одна от левого, другая от правого изображений. Долгое время подготовка кодированного изображения была не простой задачей, требующей специального оборудования и навыков. В наше время эта операция может быть выполнена с помощью компьютера, что значительно облегчает процесс изготовления и повышает качество растрового стереоизображения. На Рис. 19 показан увеличенный фрагмент кодированного изображения стереопары, приведенной на Рис. 12.

Световой поток, отраженный от кодированного изображения, проходя через линзы, разделяется таким образом, что левый глаз наблюдателя видит левое изображение стереопары, правый глаз - правое (Рис. 20).

Наибольший эффект от линзово-растровой стереофотографии можно получить, если кодировать не два ракурса стереопары, а еще и дополнительные промежуточные ракурсы (например, 12 ракурсов). В этом случае при просмотре образуется широкая зона стереовидения, перемещаясь в которой, зритель поочередно наблюдает смену ракурсов, что создает эффект оглядывания. Появляется возможность заглянуть за объекты переднего плана. Это придет натуральность наблюдаемому стереоизображению.

С помощью линзового растра можно также изготовить и различного рода "динамические" картинки. Если закодировать отличающиеся изображения, например, последовательность кадров мультфильма, то при просмотре такого изображения под различными углами линзовый растр будет выделять различные исходные изображения. Таким образом, плавно изменяя угол наблюдения изображения, можно воспроизводить последовательности изображений.

2004 © Алексей Поляков

Что ещё можно сделать:
Обсудить статью на Форуме >>>
Посетить сайт 3DMasterKit >>>
Написать письмо автору >>>