2.2. Визуализация пространственного восприятия на основе бинокулярных признаков

Для обозначения трехмерных стереоскопических изображений зачастую пользуются термином 3D. Однако это же обозначение применяется и для изображений, представляющих собой проекции трехмерных объектов на плоскость. При повороте объекта эти проекции изменяются, что создает иллюзию объемности. По форме и соотношению размеров объектов, их взаимному перекрытию, а также наличию теней наш мозг "достраивает" объем. К сожалению, результат далеко не всегда получается удовлетворительным [15].

Отличие стереоскопического изображения заключается в том, что и левый и правый глаз наблюдателя видит отличающиеся друг от друга картинки, точно так же, как это происходит при естественном рассматривании трехмерного объекта. В итоге мозг получает достаточное количество информации для формирования трехмерного образа, и наблюдатель видит изображение, части которого располагаются не в плоскости, а в пространстве.

Стереосъемку можно выполнять двумя способами: параллельным и направленным [16]. При параллельном способе направление оптической оси объектива камеры не меняется (рисунок 27 а), а при направленном камера поворачивается таким образом, чтобы оптическая ось объектива была всегда направлена на центральный объект фотографируемой сцены (рисунок 27 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.

а б

Рисунок 27 - Параллельный и направленный методы стереосъемки

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. Если выполнять компенсационный сдвиг, то 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.

Схема восприятия стереоизображений

Стереоизображение на экране – это наложенные друг на друга изображения правого и левого ракурсов пространственного объекта [17]. В таком суммарном изображении одноименные точки объекта имеют горизонтальный сдвиг. Этот сдвиг, именуемый горизонтальным параллаксом, является следствием регистрации объекта с двух ракурсов. Горизонтальные параллаксы являются причиной конвергенции зрительных осей при наблюдении изображения на экране, что вызывает ощущения, подобным тем, что возникают при бинокулярном восприятии. В отличие от "полезных" – горизонтальных параллаксов, различают "вредные" – вертикальные параллаксы, которые возникают в результате неверной юстировки съемочной техники, когда главные оптические оси левого и правого объективов не лежат в одной горизонтальной плоскости. Наличие вертикального сдвига левого изображения относительно правого приводит к сдвигу зрительных осей по вертикали, несвойственное нашему зрению, и является одной из причин утомляемости при восприятии стереофильмов. Камера должна регистрировать стереопару с нулевым вертикальным параллаксом.

Горизонтальные параллаксы могут иметь как "положительное", так и "отрицательное" значение. Если точка левого изображения на экране расположена левее одноименной точки правого изображения, то такой параллакс будет положительным. Если же точка левого изображения расположена правее одноименной точки правого изображения – такой параллакс будет отрицательным. На рисунке 28 показано, как знак параллакса влияет на восприятия наблюдаемой точки перед или за экраном. Наблюдая объект с положительным параллаксом, мы как бы пеленгуем его в пространстве за экраном, те же точки изображения объекта, которые имеют отрицательный параллакс, из-за пересечения зрительных осей, пеленгуются в пространстве перед экраном.. Одноименные точки изображения пространственного объекта, имеющие нулевой сдвиг, воспринимаются зрителем в области плоскости экрана.

Природа восприятия объема заключается в способности системы глаза - мозг обрабатывать зрительную информацию в некотором диапазоне Δφ (Δφ=φ₁–φ₂) угла конвергенции и сливать сопряженные изображения в единый объемный образ. Максимальный диапазон Δφ 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.

Рисунок 28 - Реконструкция объемного изображения

Выводы

1) При создании систем объемного телевидения могут превалировать как физические свойства объектов (голография), так и свойства зрения (методы фокусировки/дефокусировки аналогичны аккомодации, методы структурированного света аналогичны свойствам затененности и формы, линейной перспективы, методы с использованием сепарации изображений аналогичны свойствам бинокулярного зрения).

2) Реализация голографических методов тесно связана, во-первых, с решением технологических проблем, повышением разрешающей способности, как передающих камер, так и устройств визуализации, а, во-вторых, с устранением избыточности путем использования свойств зрения.

3) Системы объемного телевидения могут проектироваться, используя как бинокулярные, так и монокулярные признаки.

4) Использование жидких линз дает новые возможности для создания камер с представлением информации о пространственном расположении объектов (карту глубины) на основе методов фокусировки/дефокусировки.