стереоскопическое изображение

СТЕРЕОСКОПИЧЕСКОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ (пространственное изображение) - изображение предмета, к-рое представляется наблюдателю объёмным (трёхмерным), передающим форму изображаемых объектов, характер их поверхности, взаимное расположение в пространстве и др. внеш. признаки. Возникает С. и. в сознании человека в результате слияния в единый зрительный образ двух плоских изображений стереопары, рассматриваемых раздельно каждым глазом. Каждое из двух изображений стереопары представляет собой центр. проекцию объекта (полученную, напр., фотографированием) с правой и левой точек зрения, разнесённых по горизонтали на нек-рое расстояние, называемое стереобазисом. Изображение объекта, полученное с правой точки, должно рассматриваться правым глазом, а изображение, полученное о левой точки,- левым глазом. Простейшим прибором для такого рассматривания является стереоскоп. Т. к. правое и левое изображения стереопары представляют собой разные ракурсы объекта, то при оптич. наложении друг на друга они совмещаются не полностью, изображения разноудалённых точек объекта оказываются смещёнными вправо или влево относительно друг друга, образуя горизонтальный линейный параллакс. Величина параллакса зависит от удалённости наблюдаемой точки изображения. Если точка правого изображения в плоскости совмещения оказывается правее левого изображения этой точки, то параллакс считается положительным и пространственное положение слитного образа этой точки в С. и. будет представляться расположенным за плоскостью совмещения; если точка правого изображения расположена левее точки левого изображения, то параллакс считается отрицательным и слитное изображение точки оказывается перед плоскостью совмещения; при параллаксе, равном нулю, слитный образ формируется в плоскости совмещения.

Оптич. наложение правого и левого изображений стереопары друг на друга осуществляется селективной проекцией или печатью этих изображений, позволяющими в то же время посредством спец. фильтров выделять каждое изображение из их «смеси» для предъявления его предназначенному глазу. В зависимости от способов фильтрации изображений различают следующие способы воссоздания С. и.: очковые - анаглифический, поляризационный, эклипсный; безочковые (растровые) - одностереопарные и многоракурсные.

Очковые методы наблюдения стереоскопического изображения В анаглифическом методе воспроизведения С. и. (рис. 1) используется спектральная сепарация изображений стереопары. В этом случае одно из изображений стереопары, напр. правое , печатается на экране Е красной краской, а левое изображение , налагаясь на красное, печатается зелёной краской. Тогда, рассматривая изображения через цветные очки, левым глазом L через красный светофильтр F₁ увидим тёмный силуэт зелёного изображения , а правым глазом R через зелёный светофильтр увидим тёмный силуэт только красного изображения Слитный образ точек и, соответственно фиксируемых правым R и левым L глазом, будет виден на пересечении линий их визирования в точке А перед экраном Е. Аналогично визуальное слияние точек и, видимых правым и левым глазом, создаёт образ точки В, лежащей за экраном Е. Т. о., точки А и В окажутся пространственно разнесены. Этот метод легко реализуется и широко используется для получения С. и. в полиграфии, кино, телевидении, однако он не позволяет воспроизводить цветные объёмные изображения (см. также Анаглифов метод).

Рис. 1. Анаглифическая система синтезирования пространственного образа АВ при рассматривании на экране Е изображений стереопары и, соответственно правым R и левым Z. глазом через сепарирующие очки с цветными фильтрами F₁, F₂

Поляризационный метод может быть использован для проекц. воспроизведения цветных С. и. Левое и правое изображения стереопары проецируются на экран лучами поляризов. света с плоскостями поляризации, ориентированными взаимно перпендикулярно для правого и для левого изображений. В качестве экрана служат недеполяризующие свет металлизированные поверхности или матированные прозрачные листы. Рассматривают изображения на экране через очки с поляризац. светофильтрами ,при этом плоскости поляризации светофильтров, находящихся перед правым и левым глазом, ориентируют соответственно параллельно плоскостям поляризации лучей, проецирующих правое и левое изображения стереопары. Этот метод применяется для реализации стереокино.

Эклипсный метод использует временную фильтрацию (поочерёдное рассматривание) правого и левого изображений стереопары. Правое и левое изображения в чередующемся порядке проецируются на экран и вместе с этим синхронно перед правым и левым глазом открываются и закрываются заслонки в очках, через к-рые зритель поочерёдно видит правым глазом правое изображение стереопары, левым глазом - левое изображение. Недостатком этого метода являются мерцания С. и., заметные при малой частоте ("100 Гц) смены правых и левых кадров на экране. Однако и при малой частоте смены кадров (вплоть до единицы Гц) стереоэффект сохраняется, и поэтому метод находит применение в тех случаях, когда этим недостатком можно пренебречь, в частности в рентгенотехнике.

При решении практич. задач возможно комбинирование систем воспроизведения С. и. Такой симбиоз эклипсного метода с поляризац. методом предложен для реализации стереоскопич. телевидения. В данном случае (рис. 2) на экране 2 телевизора 1 последовательно во времени экспонируются правые и левые изображения стереопары, а наблюдение С. и. ведётся через поляризац. очки 8 со взаимно перпендикулярно ориентированными плоскостями поляризации фильтров F₁ и F₂. Перед экраном телевизора устанавливается управляемый транспарант, состоящий из листа поляроида 3 и жидкокристаллич. модулятора света, выполненного из двух прозрачных проводящих пластин 4 и 6, между к-рыми расположен парафазный жидкокристаллич. слой 5. При подаче от коммутатора 7 электрич. управляющих импульсов к пластинам 4 и 6 происходят повороты плоскости поляризации лучей, проходящих через транспарант, на 90° то в одну, то в др. сторону. В те временные интервалы, когда та или иная фаза поляризации совпадает с экспозицией соответственно правых или левых кадров С. и. на экране телевизора, через поляроидные фильтры F₁ и F₂ очков можно попеременно видеть правым глазом последовательности только правых кадров стереопары, а левым глазом - только левых кадров. Это обеспечивает зрительное восприятие пространственного образа С. и. на телевиз. экране.

Рис. 2. Система телевизионного воспроизведения стереоскопического изображения с поочерёдным предъявлением правых и левых кадров на экране 2 телевизора 1 и с их рассматриванием через управляемый транспарант 3-6 и поляроидные очки 8.

Безочковые методы воспроизведения стереоскопического изображения

В таких методах для сепарации правого и левого изображений стереопары используют растровые оптические системы ,создающие перед экраном зоны избират. видения, из к-рых правым и левым глазом можно увидеть раздельно соответствующие изображения стереопары. Этот принцип автостереоскопии пояснён на рис. 3. Если перед фотопластинкой Е укрепить щелевой растр F и с нек-рого расстояния из точки А₀ спроецировать через растр на фотопластинку одно из изображений стереопары, напр. левое, то после проявления пластинки можно будет увидеть это растрированное изображение (обозначенное на рис. чёрными точками), наблюдая через тот же растр из положений A₀, А₁, А₂ и т. д., лежащих на прямой YY. Области А₀, А₁, А₂,... можно назвать зонами избирательного видения левого изображения. Одноврем. с левым изображением стереопары можно напечатать на фотоплёнке Е правое изображение, проецируя его из точки В₀, лежащей на прямой YY и сдвинутой вправо от точки А₀ на величину межзрачкового базиса. Элементы этого изображения, отмеченные на ЕЕ белыми кружочками, будут видны соответственно из зон избират. видения правого изображения В₀, B₁ B₂... Наблюдать слитное С. и. в данном случае можно свободно из каждой пары зон А₀В₀, А₁В₁ ,А₂В₂ и т. д.

Рис. 3. Принцип автостереоскопического воспроизведения пространственных изображений через щелевой растр F.

Показ автостереоскопич. изображения для большой аудитории может осуществляться с помощью радиального растрового стереоэкрана, называемого также перспективным (рис. 4). Особенностью стереоэкрана является то, что плоскость экрана Е и плоскость щелевого растра F, расположенного перед ним, наклонены друг к другу под небольшим углом, так что в своём продолжении они пересекаются по горизонтальной прямой Y₀Y₀. Щели растра направлены радиально к центру О, лежащему на прямой Y₀Y₀. Если из какой-либо точки А₀ направить на экран Е световой пучок, то свет, проходящий через щели растра k, l, т, п, образует на экране Е картину полос k', l', т', п', также радиально сходящихся к центру О. Световые плоскости, проходящие через щели растра, пересекаются по прямой ОA₁ из каждой точки к-рой можно увидеть через все щели освещённый экран, т. с. эта прямая представляет собой фокальную линию избирательного видения. Если период следования щели у растра в его сечениях, параллельных прямой Y₀Y₀, постоянен, то такими же линиями избират. видения являются и прямые OB₁ ОВ₂, ОВ₃, образуемые световыми лучами, отражёнными от освещённых полос экрана, напр, от полосы Ok' через соседние щели растра Оl, От, On,... Точки А!, А₂, А₃ и др. располагаются на прямой YY, параллельной Y₀Y₀ и проходящей через точку А₁.

Рис. 4. Система проекционного воспроизведения стереоскопического изображения для безочкового (автостереоскопического) наблюдения пространственного изображения на радиальном растровом экране одновременно многими зрителями.

Проецируя из др. точки В₁, расположенной на прямой YY, на экран др. пучок света, можно создать новую серию линий избират. видения OB₁, ОВ₂, ОВ₃ и т. д., расположенных в одной плоскости с линиями OA_i. Все линии избират. видения образуют плоскость, называемую плоскостью избирательного видения.

Проецируя на экран из точки A₁ правое, а из точки B₁ левое изображение стереопары, можно создать в плоскости OYY условия для раздельного видения правого и левого изображений избирательно правым и левым глазом соответственно из зон ОА_i и ОВ_i.

Очевидно, заменяя щели растра F цилиндрич. (конич.) линзами, можно сузить световые полоски от источника света на экране за растром и таким образом повысить разрешающую способность стереоэкрана. Благодаря этому на линзово-растровый стереоэкран с линии YY можно проецировать не одну пару ракурсов (стереопару), а большое число ракурсов объекта, сфотографированных с горизонтального ряда точек (напр., точек 1, 2, 3, 4,...), сдвинутых так, чтобы точка 2 была левее 1, точка 3 левее 2, точка 4 левее 3 и т. д. В этом случае в плоскости избират. видения OYY образуются смежно расположенные зоны, из любой пары к-рых можно наблюдать на экране С. и., рассматривая его в разных ракурсах.

Реализация такого рода многоракурсного С. и. возможна в разл. системах отображения визуальной информации, и в частности на экране электроннолучевой трубки прибора (рис. 5). Электронный прожектор 1 проецирует через растр-решётку G на люминесцентный экран Е изображение объекта, видимое с левой точки; прожектор 2 проецирует изображение, соответствующее правой точке; прожектор 3 - ещё более правой точке; прожектор 4 - крайней правой точке. Электронные лучи от каждого прожектора, проходя через узкие щели решётки G, падают на разл. участки экрана Е, вызывая свечение своего растрового изображения. Так, напр., лучи от прожектора 1 вызывают свечение участков экрана, обозначенных на рис. 5 чёрными кружками, а от прожектора 4 - светлыми кружками. Установленный с др. стороны экрана линзовый растр R собирает излучение от точек экрана, освещённых прожектором 1, в зону 1', от прожектора 2 - в зону 2', прожектора 3 - в зону 3', прожектора 4 - в зону 4'. Вдоль оси YY образуются зоны избират. видения смежных ракурсов объекта, из любой пары к-рых можно наблюдать пространственный образ объекта. Вдоль оси YY образуются также дополнит. зоны избират. видения идр., позволяющие наблюдать С. и. одноврем. многим зрителям.

Рис. 5. Схема автостереоскопического формирования многоракурсного пространственного изображения на экране электронно-лучевой трубки, наблюдаемого через линзовый растр.

Подобный метод используется при изготовлении многоракурсных полиграфич. С. и., рассматриваемых через склеенный с отпечатком линзовый растр. При этом объект фотографируют с разных сторон фотокамерой, движущейся вокруг него (рис. 6). Съёмка ведётся на фотоматериал Р, прикрытый линзовым растром R и, в свою очередь, сдвигаемый во время съёмки на величину периода (шага) линзового растра, для того чтобы распределить на фотоматериале раздельную запись последоват. ракурсов в виде кодированных дорожек. (Создаётся т. н. параллаксограмма, стереоскопически считываемая через декодирующий линзовый растр.).

Рис. 6. Панорамная съёмка параллаксограммы многоракурсных стереоизображений непрерывно движущейся фотокамерой на фотоматериал через линзовый растр.

Дальнейшим развитием многоракурсных С. и. является интегральная фотография, позволяющая записывать изменение ракурсов объекта одновременно, как в горизонтальном направлении, так и в вертикальном (см. Растровые оптические системы).

Наиб. существ. отличием многоракурсных С. и. от одностереопарных является то, что первые создают более комфортные условия для наблюдения объёмного изображения и сохраняют неизменность пространственных соотношений картины при относит. перемещениях наблюдателя, тогда как при наблюдении одностереопарного С. и. глубина и форма наблюдаемой картины меняются в зависимости от дистанции и местоположения наблюдателя.

Лит.: Власенко В. И., Полиграфическое производство стереоизображений с линзовым растром, М., 1978; Мамчев Г. В., Стереотелевидение, М., 1982; Валюс Н. А., Стерео: фотография, кино, телевидение, М., 1986; Дудников Ю. А., Рожков Б. К., Растровые системы для получения объемных изображений, Л., 1986; Касс К., Касс А., Практическая стереофотография, Минск, 1987. Н. А. Валюс.

Стереоскопическое изображение компьютерное

Появление персонального компьютера, снабжённого сканером и высококачеств. принтером (размер точки 1/300 дюйма), позволило конструировать компьютерные стереокарточки и стереослайды (аналогичные обычным стереофотографиям и стереослайдам) и создавать объёмные компьютерные копии реальных объектов. Однако это возможно только в том случае, когда известна трёхмерная структура объекта или сцены, С. и. к-рых надо построить.

Примером объекта с известной структурой является любая макромолекула (молекула белка, нуклеиновой кислоты и т. п.), пространственная форма и размеры к-рой известны (обычно их находят методами рентгеновского структурного анализа). Для построения С. и. молекул выбирают такую систему координат, начало отсчёта к-рой находится в центре тяжести молекулы (заранее найденном), ось X проходит горизонтально (параллельно прямой, соединяющей зрачки глаз наблюдателя), ось Z проходит вдоль направления наблюдения, а ось Y перпендикулярна им обеим. В этой системе отсчёта атом с координатами х, у, z будет виден левым глазом так, как если бы он находился в плоскости в точке с координатами

гда L - расстояние до центра молекулы, d - расстояние между зрачками; соответственно для правого глаза:

Поэтому одним из вариантов построения стереопары на мониторе компьютера будет изображение левой и правой точек и_Л, v и и_П, v:

где х₀, y₀ - координаты центра монитора, R - расстояние между правой и левой половинами стереопары, - масштабный фактор, определяющий размер С. и.

Если построена последовательность компьютерных стереопар, то на мониторе компьютера можно наблюдать стереофильмы (невооружённым глазом либо с помощью стереоскопа).

Возможность построить стереопару по картине или рисунку художника зависит от того, использовались ли художником законы перспективы [1]. Если на рисунке, выполненном с использованием прямой перспективы, ясно видна точка перспективы, можно найти предполагаемые пространственные координаты всех точек С. и. При построении стереопары пейзажа можно отд. объекты пейзажа вынести в разные параллельные плоскости, в разл. степени удалённые от зрителя.

На рис. 7 приведена компьютерная стереопара, построенная по картине В. А. Серова «Ида Рубинштейн».

Рис. 7.

Построение С. и. невидимого. В окружающем мире имеется целый ряд измеряемых, но не видимых человеческим глазом физ. величин, пространственное распределение к-рых часто необходимо знать в практич. целях. К таким величинам относятся, напр., интенсивность гамма-излучения естественных или техногенных радиоактивных веществ, абс. значения вредных атомарных или молекулярных примесей в загрязнённом воздухе, воде и т. д., распределение темп-ры, влажности воздуха и т. п. Компьютеры позволяют визуализировать измеренные величины, в частности построить для них условные С. и. Большое значение трёхмерная визуализация имеет в разл. мед. диагностиках, в частности в ЯМР-, рентгеновской и ультразвуковой томографии.

Восстановление трёхмерной сцены по стереопаре. Наряду с построением стереопар иногда необходимо решить обратную задачу - провести анализ оцифрованной фотостереопары для получения информации об изображённой на ней трёхмерной сцене [2]. Это бывает необходимо, напр., для дистанц. определения рельефа поверхности Земли или др. планеты, морского дна, для автономной навигации передвигающегося робота. Осн. идея всех подходов к этой задаче - найти соответствующие (гомологичные) точки на левой и правой половинах стереопары и по расстоянию между этими точками определить локальную глубину данной точки в изображении сцены. Для решения этой задачи было предложено много алгоритмов [3]. Однако задача эта очень сложна и, по-видимому, ещё далека от решения: анализ стереопары предполагает наличие в памяти ЭВМ весьма обширных знаний о мире, без к-рых расшифровка стереопары в общем случае маловероятна.

При построении системы анализа стереопар очень важно уменьшить число элементов изображения - для облегчения нахождения соответствующих точек. Как правило, в прикладных задачах оказывается, что анализировать необходимо не всю информацию, содержащуюся в стереопаре, а лишь небольшую её часть. В ряде случаев, напр., особый интерес представляют сведения о прямых линиях, в частности о вертикальных прямых (это относится ко многим сооружениям - зданиям, заводам, улицам, дорогам и т. п.).

Если для восстановления трёхмерной структуры объекта или сцены по стереопаре нужно найти не слишком большое число гомологичных точек, то компьютер только помогает человеку, к-рый отмечает ряд важных пар точек-гомологов на фотостереопаре, выведенной на экран компьютера. Более подробно вопросы С. и. см. в [3].

Лит.: 1) Мочалов Л. В., Пространство мира и пространство картины, М,, 1983; 2) П о д ж и о Т., Зрение человека и технические системы видения, «В мире науки», 1984, № 6, с. 58; 3) Веденов А. А., Математика стереоизображений, М., 1991. А. А. Веденов.

   <<      Предметный указатель      >>