Краткая история стереограмм

 

Описание

Во все времена художники и ученые пытались изобрести методы создания изображений, воссоздающих на плоскости три измерения пространства. Для объемного изображения предметов и различных сюжетов использовались многие формы, например, скульптура или резьба по дереву, однако рисование на плоскости всегда представляло собой особый вызов для художников.

Традиционными способами, которые используются для передачи ощущения глубины пространства, являются перспектива, тени, структура и размер знакомых объектов, а также перекрытие одних предметов другими.

В наши дни изображения, сгенерированные компьютером с использованием этих способов, имеют почти фотографическое качество. Однако 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). Он возникает вследствие того, что человек видит с помощью двух глаз, и зрительный образ, получаемый одним из них, немного отличается от образа, который видит другой глаз.

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 трехмерным.

Стереография (stereography), или стереографика (stereographics), занимается решением этой проблемы, заставляя изображаемые на плоскости объекты выглядеть трехмерными.

В 1838 году сэр Чарльз Уитстон изобрел стереоскоп.

Уитстон, Чарльз

Сэр Чарльз Уитстон (англ. Sir Charles Wheatstone; 1802—1875) — английский физик, автор многих изобретений.

В 1837 в сотрудничестве с Уилямом Куком получил патент на электромагнитный телеграф и создал первую действующую телеграфную линию в Англии. Это был так называемый стрелочный телеграф: стрелка на приёмнике показывала буквы алфавита, расположенные по окружности наподобие цифр в часах.

Предложил мостовой метод электрических измерений. Так называемый мост Витстона (Уитстона) служит основой современных гальванометров. Витстонов мостик балансирует измеряемые токи таким образом, что становится возможным измерение колебаний этих токов.

Является изобретателем стереоскопа — аппарата для просмотра трёхмерных изображений.

В 1829 году запатентовал музыкальный инструмент Концертина.

И хотя еще древние греки обладали определенными знаниями о стереографии (Евклид в своем 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.

В стереоскопе вместо нарисованных от руки картинок стали использоваться фотографии. В результате полученные стереоизображения приобрели реалистичность, четкость и глубину. Стереограммы оказались так популярны, что было налажено их коммерческое производство, а в 1850 году было основано Лондонское общество стереографии (London Stereoscopic Society).

После появления компьютеров развитие стереографии получило новый импульс. 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, причем один глаз видит изображение, чуть-чуть отличающееся от изображения, видимого другим глазом (эта же идея использовалась 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 трехмерной.

А некоторое количество людей (от 10 % до 20 %) вообще не способны рассмотреть объемное 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 путем 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).

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 в 1959 году исследователь Бела Юлеш обнаружил, 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 расположены 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 Тайлер и Кларк (Tyler C.W., Clarke M.B.) создали первую стереограмму на одном изображении, построенную на основе случайных точек (SIRDS). Их идея была основана на «эффекте обоев», обнаруженном Сэром Дэвидом Брюстером еще в 1844-м году.

Кратко это явление можно объяснить так.

Пусть перед наблюдателем находится изображение с многократно повторяющимися на нем одинаковыми фрагментами (назовем их образцами); обои как раз представляют собой такое изображение. Если развести глаза так, чтобы смотреть не на поверхность, а за нее (этот метод называется методом разведенных глаз – wide-eyed), так, что глаза будут смотреть одновременно не на один и тот же образец, а на соседние, то мозг оказывается «обманутым», думая, что глаза все еще 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 сведенных глаз — cross-eyed), то воспринимаемое изображение окажется ближе.

Далее, если повторяющиеся образцы не абсолютно одинаковы, а чуть-чуть различаются (в соответствии с представляемым трехмерным образом), то мозг интерпретирует это различие как связанное с тем, что наблюдаемый объект — трехмерный, а не изображенный на плоскости. Так возникает иллюзия трехмерности.

Сами повторяющиеся фрагменты могут иметь любой рисунок — Тайлер и Кларк начали с фрагментов, состоящих из точек со случайными цветами; уже после этого стали использоваться относительно произвольные рисунки. Существуют даже текстовые автостереограммы, в которых повторяется некоторая последовательность букв и символов.

К недостаткам стереограмм на одном изображении относится то обстоятельство, что не все люди способны их видеть; не для всех людей конвергенция является фактором определения расстояния, главенствующим над аккомодацией; для некоторых конфликт этих признаков является препятствием для способности увидеть стереограмму. И еще один недостаток, которым обладают RDS и SIS — они не несут в себе информации о цветах объектов.