История стереографии
РЕФЕРАТ
«История Стереографии»
Во все времена художники и учёные пытались
изобрести методы для создания изображений, воссоздающих на плоскости три
измерения пространства, в котором мы живём. Для представления предметов и
жизненных ситуаций люди использовали и другие формы, такие как скульптура или
резьба по дереву, но рисование на плоскости всегда являлось главной формой
самовыражения человека.
Традиционные способы, используемые художниками
для передачи ощущения глубины - это перспектива, тени, структура и размер
знакомых объектов, и тот факт, что близкие объекты закрывают дальние. В наши
дни изображения, сгенерированные компьютером с использованием этих способов,
имеют почти фотографическое качество. Но кроме упомянутых способов есть и другая
группа признаков, по которым мозг человека определяет расстояние до объекта. К
этим признакам относится, во-первых, эффект бинокулярного зрения (binocular
disparity), возникающий в
связи с тем, что у человека два глаза, и видимое одним из них немного отличается
от видимого другим.
Второй признак расстояния - это так называемая
аккомодация(accommodation),
то есть сила мускульного напряжения для настройки хрусталика глаза при
фокусировании взгляда на объекте в пространстве. И, наконец, третий признак -
конвергенция (convergence),
то есть изменение угла сведения глаз при движении объекта к наблюдателю и
обратно. При взгляде на плоскую картину первая группа способов определения
глубины конфликтует со второй, поэтому изображение не выглядит по-настоящему
трёхмерным. Стереография (stereography),
она же стереографика (stereographics),
занимается решением этой проблемы, заставляя изображаемые на плоскости объекты
выглядеть трёхмерными.
В 1838 году сэр Чарльз Ветстоун изобрёл
стереоскоп. И хотя уже древние греки имели некоторые знания о стереографии
(Евклид в своём трактате «Оптика» изучал восприятие человеком расстояния и
особенности зрения, связанные с взглядом на объект двумя глазами), это событие
практически совпало по времени с изобретением фотографии (1839 г.), что очень
повлияло на поднятие интереса к стереографии. Это позволило использовать в
стереоскопе фотографии вместо нарисованных от руки картинок, в результате
полученные стереоизображения стали удивительно реалистичными, чёткими и
наделёнными глубиной. (Здесь следует заметить, что когда речь идёт о
стереоизображениях, то в их отношении часто используется термин глубина - как
третье измерение наряду с шириной и высотой, а возможно и по аналогии с
поверхностью воды и видимыми сквозь неё предметами). Стереограммы оказались так
популярны, что было налажено их коммерческое производство, а в 1850 году было
основано Лондонское общество стереографии (London
Stereoscopic
Society). Даже в наши дни
сохраняется некоторый интерес к трёхмерным фотографиям.
В дальнейшем развитие стереографии привело к
появлению самых разных видов стереоизображений. Появились так называемые
анаглифы (anaglyphs),
для просмотра которых наблюдатель должен носить очки с красным фильтром на
одном глазу (это может быть, например, цветное стекло) и синим (или зелёным) на
другом. Этим методом создавались целые фильмы, и для получения эффекта
объёмности изображения публике предлагалось надевать такие очки.
Другим изобретением была голография, однако, для
создания голограмм требуется специальное оборудование.
После появления компьютеров развитие
стереографии получило новый толчок. Появились голографические мониторы,
многоплоскостные мониторы (multi
planar display),
и, наконец, стереопары (stereo
pair). К последнему
виду относятся, например, современные шлемы виртуальной реальности. Основная
идея стереопар заключается в том, что каждый глаз смотрит на отдельный экран,
причём один глаз видит изображение, чуть-чуть отличающееся от изображения,
видимого другим глазом: та же идея, что была использована при создании
стереоскопа. Говоря о стереопарах, нельзя не упомянуть о недостатке, связанном
с их просмотром: бинокулярное зрение и конвергенция соответствуют расстоянию,
изображаемому на картинке, но глаза наблюдателя сфокусированы на экранах,
следовательно, аккомодация и конвергенция конфликтуют. В результате в некоторых
сценах мозг человека с трудом «соединяет» изображения для левого и правого
глаза, и наблюдатель снова начинает видеть две отдельные двумерные картинки
вместо одной трёхмерной. А некоторый процент людей (от 10% до 20%) вообще не
способен увидеть глубину в таких виртуальных трёхмерных сценах, то есть в
принципе рассмотреть объёмное изображение на стереопаре. К голографическим и
многоплоскостным изображениям этот недостаток не относится.
Другой базовый принцип построения стереограмм
заключается в том, что каждый глаз видит изображение, предназначенное именно
для этого глаза, в то время как картинки для обоих глаз демонстрируются на
одной и той же поверхности. Нужное изображение попадает в соответствующий глаз
либо путём поляризации и просмотра стереограммы с помощью поляризованных очков,
либо с помощью разделения во времени передачи изображения для разных глаз и
использования очков, по очереди закрывающих зрителю глаза (это могут быть,
например, жидкокристаллические фильтры).
Относительно недавно для создания иллюзии
трёхмерности был использован так называемый «Палфрич» феномен (Pulfrich phenomenon).
Основан этот эффект на психологическом факте, заключающемся в том, что мозг
обрабатывает более тёмные изображения с меньшей скоростью, чем светлые. Для
получения стереоэффекта требуется закрыть один глаз тёмным фильтром. Зритель
видит перед собой быстро сменяющие друг друга (со скоростью частоты
телевизионного экрана) изображения, и каждый текущий кадр, видимый незакрытым
глазом, соединяется в мозгу с предыдущим кадром, восприятие которого
заторможено с помощью фильтра.
Среди стереографических изображений выделяют
один важный класс - автостереограммы (autostereogram).
Для просмотра автостереограмм зрителю не нужны никакие специальные устройства,
а для их построения не требуется никакого специального оборудования кроме
обычного ПК. Это стереограммы на одном изображении (Single
Image Stereogram,
SIS); в частности,
стереограммы на основе выбора случайных точек (Single
Image Random
Dot Stereogram,
SIRDS или RDS).
История стереограмм на основе случайных точек
началась в Bell
Labs, когда Бела Юлеш
(Bela Julesz) занимался исследованием психологической проблемы зрения и
восприятия. Именно он обнаружил (1959г.), что мозг человека способен
воспринимать глубину на стереопаре, построенной на основе случайных точек.
Важность этого открытия заключалась в том, что стало ясно, что и без каких-либо
явных зрительных образов, распознаваемых и одним глазом (monocular
pattern recognition),
человеческий мозг может интерпретировать видимое на плоскости как информацию о
третьем измерении, то есть как глубину.
Человек с нормальным бинокулярным зрением видит
немного различные картинки для разных глаз, так как глаза у человека находятся на
расстоянии 6-7 сантиметров друг от друга. Мозг выполняет работу по слиянию этих
изображений и получает информацию о глубине; этот процесс называется
стереопсисом. Юлеш и Миллер (Miller J.E.) показали, что информация о глубине
может быть получена непосредственно из стереопсиса, без предварительного
распознавания контуров объектов.
И, наконец, следующим важным шагом было открытие
того факта, что для стереопсиса не обязательно использовать два отдельных
изображения. В 1979 году Тайлером и Кларком (Tyler C.W., Clarke M.B.) была
создана первая стереограмма на одном изображении на основе случайных точек (SIRDS).
Их идея была основана на «эффекте обоев», обнаруженном Сэром Дэвидом Брюстером
ещё в 1844-м году (рис 1.1). Кратко это явление можно объяснить так (рис.1.1).
Пусть перед наблюдателем находится изображение с многократно повторяющимися на
нём одинаковыми фрагментами (назовём их образцами); обои как раз представляют
собой такое изображение. Если развести глаза так, чтобы смотреть не на
поверхность, а за неё (этот метод называется методом разведённых глаз - wide-eyed
[6,7]), так, что глаза будут смотреть одновременно не на один и тот же образец,
а на соседние, то мозг оказывается «обманут», думая, что глаза всё ещё смотрят
в одно и то же место, и смотрящему кажется, что видимое изображение находится
несколько дальше реальной плоскости поверхности: мозг оценивает расстояние
исходя из конвергенции. Если, наоборот, свести глаза (метод сведённых глаз - cross-eyed
[6,7]), то воспринимаемое изображение окажется ближе.
Рис. 1.1 “Эффект обоев”: a
- обычно глаза человека фокусируются на изображении таким образом, b
- фокусирование глаз методом разведённых глаз, c
- методом сведённых глаз
стереография компьютер трехмерность
Далее, если повторяющиеся образцы не абсолютно
одинаковы, а чуть-чуть различаются (в соответствии с представляемым трёхмерным
образом), то мозг интерпретирует это различие как связанное с тем, что
наблюдаемый объект - трёхмерный, а не изображённый на плоскости. Так появляется
иллюзия трёхмерности.
Сами повторяющиеся фрагменты могут иметь любой
рисунок - Тайлер и Кларк начали с фрагментов, состоящих из точек со случайными
цветами; уже после этого разные люди стали использовать какие-либо (в целом,
относительно произвольные) рисунки. Существуют даже текстовые автостереограммы,
где повторяется некоторая последовательность букв и символов.
Как уже было сказано выше, автостереограммами
называются стереограммы, не требующие от зрителя каких-то специальных устройств
для их просмотра и восприятия. Всё, что следует делать наблюдателю для
получения стереоэффекта, это особым образом фокусировать глаза, а именно, либо
за поверхностью изображения (метод разведённых глаз), либо перед ней (метод
сведённых глаз). Осваивание этих методов требует некоторой практики, но,
однажды научившись, в дальнейшем человек без труда воспринимает образы на
автостереограммах. Как показала практика, использовать метод разведённых глаз
легче и применять его способен больший процент людей, поэтому и все примеры
будут приводиться с использованием именно этого метода.