Стереоскопические техники и средства

Современная теория бинокулярного восприятия пространства началась с доклада английского изобретателя сэра Чарльза Уитстоуна, где он в 1838 г. перед Британским королевским обществом продемонстрировал прибор, который он назвал стереоскоппозволяющий видеть одно пространственное изображение из двух плоских^[1][2].

В общем, стереоскоп — это оптический бинокулярный прибор для просмотра стереоизображений. Принцип работы стереоскопа основан на том, что если сфотографировать одну и ту же сцену с разных позиций, расположенных на расстоянии, равном расстоянию между глазами человека, а затем расположить получившуюся пару снимков (так называемую стереопару) так, чтобы один глаз видел только один снимок, а другой глаз — только второй, то человек увидит «объемное» изображение.

В настоящее время известно три стереоскопа разных конструкций, но все они используют описанный выше принцип. Это зеркальный стереоскоп Уитстоуна, линзовый стереоскоп Брюстера и ручной стереоскоп Холмса.

Уитстоун разработал современную теорию стереоскопического восприятия. Уитстоун писал: «Было установлено, что мозг воспринимает объект в трех измерениях посредством двух отличных проекций каждого глаза. В связи с этим возникает следующий вопрос: каков будет зрительный эффект, если представить каждому глазу разные изображения одного и того же объекта, вместо всего объекта в целом?»^[3] Для того чтобы ответить на этот вопрос, Уитстоун сконструировал два вида стереоскопа — линзовый и зеркальный. Наибольшее распространение получил зеркальный стереоскоп Уитстоуна. Линзовый стереоскоп в 1849 г. заново был изобретен Дэвидом Брюстером, чье имя и носит, но настоящее время.

Зеркальный стереоскоп Уитстоуна, как видно из названия, состоит из двух зеркал и двух вертикальных держателей для изображений (см. рис. 6.59, а). Изображения на каждом держателе слегка отличаются друга от друга, так как если бы одно изображение было видно только правым глазом, а другое — только левым. Следовательно, какие-то части изображений идентичны, какие-то различны. Держатели можно вращать, тем самым варьировать угол конвергенции. Конструкция стереоскопа такова, что оба изображения отражаются в зеркалах, и каждый глаз получает отдельное изображение. В итоге наблюдатель видит одно изображение, но не плоское, как на каждом изображении в отдельности, а трехмерное (см. рис. 6.59, б). Уитстоун разработал целую серию стереопар, включающую в себя набор точек, кубы, конусы, пирамиды и т. д. (рис. 6.60).

Рис. 6.59. Зеркальный стереоскоп Уитстоуна (а) и принцип его работы (б):

предъявляются два изображения, имеющих общие и различные элементы — внешние квадраты одинаковы, центральные смещены к краю; в итоге наблюдатель видит одно трехмерное изображение — усеченную пирамиду Зеркальный стереоскоп Уитстоуна в настоящее время используется в клинической практике, в частности в ортоптике — разделе медицины, изучающей использование нехирургических методов (обычно к ним относится выполнение специальных упражнений для глаз) для лечения различных нарушений зрения и улучшения координации движений глаз (особенно при страбизме и амблиопии). Например, такие приборы как амблиоскоп и сииоптофор применяемые в ортоптике, по сути, являются зеркальными стереоскопами.

Сэр Дэвид Брюстер (1781—1868), изобретатель калейдоскопа, в 1849 г. сконструировал призмовый стереоскоп, представляющий собой небольшой ящик, в котором предъявлялись два изображения, находящихся рядом друг с другом, на одной линии (рис. 6.61)^{1[4][5]. Изображения расположены в среднем на расстоянии 2,5 дюйма друг от друга (= 6,3 см), т. е. на расстоянии, равном среднему расстоянию между глазами наблюдателя. Это расстояние можно было менять, чтобы оно соответствовало индивидуальным особенностям наблюдателя. Перегородка посередине ограничивает поле зрения таким образом, чтобы каждым глазом можно было видно только одно изображение из стереопары. Эти изображения просматривались через призмы, в которые были встроены линзы, увеличивающие изображения и объединяющие их в одно. По этой причине стереоскоп Брюстера называют линзовым. Принцип работы стереоскопа Брюстера показан на рис. 6.61, б.}

Рис. 6.60. Стереопары Уитстоуна.

Рис. 6.61. Линзовый стереоскоп Дэвида Брюстера (а) и принцип его работы (б)^1.

Еще одна модель стереоскопа, известная в науке, — это стереоскоп Холмса — Бейтса (рис. 6.62). Этот стереоскоп скорее представляет собой модификацию стереоскопа Брюстера, чем самостоятельную конструктивную идею. Изобретен он был в 1859 г. американским физиком, поэтом и писателем Оливером Венделлом Холмсом^[6][7] (1809—1894), затем в этом же году усовершенствован Джозефом Бейтсом. В стереоскопе Холмса — Бейтса стереопара, закрепленная на специальном держателе (на рис. 6.62 держатель — деревянная пластина, отмечен буквой Е), также просматривается через призмы, и данный стереоскоп является более компактным, ручным и более легким, чем описанные выше приборы Брюстера и Уитстоуна.

Рис. 6.62. Стереоскоп Холмса Дальнейшей эволюцией стереоскопических техник и методов стала разработка случайно-точечных стереограмм. Случайно-точечные стереограммы (Random Dot Stereograms — RDS) были изобретены венгро-американским инженером Белой Юлешом в 60-х гг. XX в. Это было первое инновационное использование компьютера в исследовании восприятия.

Юлеш поставил цель создать такие условия восприятия глубины, которые были бы лишены всех признаков удаленности, кроме диспаратности, и посмотреть, будет ли в таких условиях сохраняться восприятие глубины или нет^[8]. Для этого он разработал случайно-точечную стереограмму, которая представляет собой пару изображений, составленных из случайного набора разноцветных точек (в оригинале у Юлеша точки были черные и белые, но это не является обязательным требованием) (рис. 6.63). На схеме рис. 6.64 черная точка обозначена как 0, белая точка обозначена 1. В каждом изображении из стереопары можно выделить три области. Первая область — это распределение черных и белых точек, одинаковое для обоих изображений в стереопаре. Все точки этой области, проецируясь на сетчатку правого и левого глаза, попадают на корреспондирующие точки, следовательно, они имеют нулевую диспаратность. Те участки изображения стереопары, которые имеют нулевую диспаратность, будут восприниматься как окружение для центральной фигуры. Вторая область — это распределение точек со сдвигом. На рис. 6.64 эта область для наглядности обведена жирной границей (А — черная точка, В — белая). Распределение черных и белых точек одинаково для обоих глаз, но так как они предъявляются со сдвигом, каждая точка попадает на диспаратные точки сетчатки, следовательно, эта область будет восприниматься как центральный квадрат, находящийся ближе к наблюдателю, чем фон, который составляют точки первой области. То, как воспринимается глубина в стереограммах, зависит от направления сдвига. Если видимый в глубине рисунок сдвинут на каждом изображении стереопары назально (т.е. в сторону переносицы), то объект видится как лежащий перед фоном, если рисунки на каждой паре сдвинуты в сторону виска, объект видится как расположенный в глубине фона. То есть расположение объекта строго зависит от знака диспаратности.

Рис. 6.63. Случайно-точечные стереограммы Б. Юлеша.

Рис. 6.64. Схема случайно-точечной стереограммы Юлеша:

а — схема построения; 6 — что видит наблюдатель Третья область — это распределение точек, видимое только правым или только левым глазом. Это точки, которые заполняют место на изображении, образованное сдвигом центральной части. На рис. 6.64 они обозначены буквами X (белая) и У (черная). Так как они видятся монокулярно, следовательно, диспаратности не будет, и наблюдатель будет видеть их на том же расстоянии, что и фон. Таким образом, когда каждому глазу с помощью стереоскопа предъявляется отдельное изображение из пары, одинаковые в паре точки попадают на корреспондирующие точки сетчаток обоих глаз, неодинаковые — соответственно, на диспаратные; в результате наблюдатель видит квадрат, находящийся перед фоном (рис. 6.64).

Следующим этапом в развитии стереоскопических приемов стала разработка случайно-точечных автостереограмм. Автостереограмма — эго одно плоское изображение, при котором видится трехмерное изображение без применения стереоскопа (рис. 6.65). Автостереограммы были созданы и продемонстрированы в 70-х гг. XX в. разными авторами: в 1970 г. японским дизайнером Масаяка Ито, в 1977 г. — швейцарцем Альфонсом Шрилингом, в 1979 г. — американским ученым Кристофером Тайлером и программистом Морином Кларком. Тайлер и Кларк, используя компьютер фирмы Apple, написали программу на языке программирования BASIC, которая генерировала изображение за счет отклонений в повторяющемся паттерне^[9]. В настоящее время для построения автостереограмм вслед за Тайлером и Кларком используют компьютерные программы, где необходимо в первую очередь указать интервал, в пределах которого повторяется узор из точек.

Рис. 6.65. Простейшая случайно-точечная автостереограмма шахматной доски Основной принцип, на котором основывается создание автосгереограммы, опирается на иллюзию обоев, описанную выше (см. рис. 6.41). Для достижения эффекта видения трехмерной фигуры при помощи авгостереограммы наблюдателю необходимо сконвертировать глаза таким образом, чтобы две одинаковые точки поверхности стереограммы проецировались на диспаратные точки сетчаток и мозг, следовательно, принимал их за точки, находящиеся на разной глубине. Этого можно достигнуть при соблюдении некоторых условий. Во-первых, сама автостереограмма должна состоять из повторяющихся паттернов — некоторых участков, смещенных относительно друг друга, а во-вторых, необходимо фиксировать взгляд не па поверхности автостереограммы (в этом случае угол конвергенции соответствует расстоянию до поверхности, следовательно, никакой диспаратности не достигается, и поверхность видится плоской), а за или перед ней.

Если развести глаза (т.е. осуществить дивергенцию) таким образом, что глаза будут смотреть одновременно не на один и тот же участок стереограммы, а на соседние, которые одинаковы, но смещены на некоторое отклонение (за счет чего и достигается диспаратность) (рис. 6.66), то нам будет казаться, что видимое изображение находится несколько дальше реальной плоскости поверхности. Такой метод просмотра автостереограмм называют методом разведенных глаз (wide-eyed method), или иначе сквозным методом (рис. 6.67, а). Если, наоборот, свести глаза (т.е. осуществить конвергенцию), то воспринимаемое изображение окажется ближе. Такой метод просмотра автостереограмм называют методом сведенных глаз (<cross-eyed method), иначе — перекрестным методом (рис. 6.67, б).

Рис. 6.66. Простейшая автостереограмма:

повторяющий участок стереограммы — белый точки — слегка смещены по горизонтали, за счет чего достигается диспаратность их проекций на сетчатке.

Рис. 6.67. Методы просмотра авгостереограмм:

а — сквозной метод; б — перекрестный метод Ряд людей имеет трудности в просмотре авгостереограмм. При сквозном методе необходимо расслабить глаза и сфокусировать их на точке, лежащей за поверхностью изображения, стараясь сконвертировать глаза на бесконечности. Одной из хитростей, как этого можно добиться, является приближение изображения автостереограммы к носу так, чтобы бумага касалась кончика носа. В этом случае конвергировать и аккомодировать глаза на изображении очень трудно и глаза постепенно расслабляются. Далее, не меняя фокуса и конвергенции, необходимо медленно отводить изображение с автостереограммы на расстояние, примерно равное половине вытянутой руки (в этом самая большая сложность, так как некоторые наблюдатели сразу «перескакивают» с точки фиксации на бесконечности на появляющуюся картинку автостереограммы). Если это условие соблюдено, то в течение некоторого времени появится трехмерное изображение, «зашифрованное» в автостереограмме.

Стереограммы служат не только для развлечений. Во время Второй мировой войны стереоскопические фотографии использовались для обнаружения вражеской техники, невидимой при обычной фотографии. Также стереограммы активно применяют при диагностике стереоскопического восприятия.

• [1] Стереоскоп во второй половине XIX в. был практически в каждом доме, его называюттелевизором XIX в. Между 1854 г. и 1856 г., после того как стереоскоп Уитстоуна был значительно модифицирован последующими версиями, британские компании продали свышеполумиллиона стереоскопов.
• [2] Wheatstone С. Contributions to the physiology of vision. Part the First. On some remarkable, and hitherto unobserved, phenomena of binocular vision // Philosophical Transactions of theRoyal Society of London. 1838. Vol. 128. P. 371—394.
• [3] Ibid. P. 373.
• [4] Амблиоскоп — аппарат для диагностики и нехирургической коррекции нарушений бинокулярного зрения (в частности, амблиопии и нарушений ретинальной корреспонденции, конвергенции, фузии), представляет собой две трубки, расположенные под углом друг к другуи вращающиеся вокруг вертикальной оси таким образом, что можно каждому глазу предъявлятьотдельное изображение. Синоптофор (греч. synoptikos — обозревающий все вместе и phoros —несущий; синоним — тропоскоп) — один из видов амблиоскопа, современный прибор для диагностики и лечения двигательных и сенсорных расстройств преимущественно при страбизме.
• [5] Brewster D. The stereoscope: its history, theory, and construction, with its application to thefine and useful arts and to education. London: John Murray publisher, 1856.
• [6] Brewster D. Op. cit.
• [7] Holmes О. И'. The stereoscope and the stereograph // The Atlantic Monthly. 1859. № 3.P.71−82.
• [8] Julesz В. Binocular depth perception without familiarity cues // Science. 1964. Vol. 145(3630). P. 356−362.
• [9] Tyler С. W" Clarke М. В. The autostereograms // SPIE Stereoscopic displays and applications.1990. Vol. 1256. P. 182−197.