Стереоскопия

Фиг.1 Стереоскоп типа Брюстера с орнаментами, изготовленный в Англии около 1850 года.

Схема работы сканирующего микроскопа БОМ

Стереоскопия (от греч. stereos… — твёрдый, объёмный, пространственный; + греч. …skopeo — смотрю, рассматриваю, наблюдаю) — способ получения стереоизображений, при котором обеспечивается условия одновременного рассмотрения объекта двумя глазами, иммитирующие естественное бинокулярное зрение.

• Стереоскопическое изображение в технике и кинематографии нередко называют 3D-изображением, от англ. словосочетания 3-Dimensions - «трехмерный». Стереоизображение может быть реализовано также в объёме прозрачных материалов, в виде голограмм и др. методами.
• Стереоскопическое зрение обеспечивает человеку наилучшее восприятие структуры объекта, пространственного расположения отдельных его элементов. Стереоизображение может быть записано в виде стереопар, стереофильмов, стереотелевидения или стереоскопических компьютерных игр, и т. п.. Устройства для просмотра стереизображений — стереоскопы, стереокинотеатры, компmютерные программы (VRML) и др..

Сфера применения стереоскопии

В последнине годы стереоскопия становится востребованным незаменимым методом в науке, в прикладных областях - электронике, медицине. С помощью обычной сканирующей микроскопии, оптической микроскопии и др. можно получить «плоские» изображения объектов исследования, которые, однако, в ряде случаев не позволялют оценить рельеф объекта с достаточной ясностью. Последние достижения в электронике, в области нанотехнологий, в создании светочувствительных материалов — фотосенсоров, систем АЦП позволяют получать стереоскопическое изображение (которое затем может быть выведено на монитор или на фотопечать, сохранено в памяти компьютера или передано системой телевидеокоммуникации в виде трехмерного образа — 3D).

В целом стереоскопия делится на разделы:

• Стереофотография,
• Стереофотопечать.

Средства для реализации стереоскопического изображения

• Зеркальные, Оптические (изобретенные Чарльзом Уитстоном в 1837 г).
• Растровые,
• Линзово-растровые,
• Анаглифные,
• Стерефотографические,
• Стереомикроскопические,
• Стереорентгенографические,
• Компютерные с применением форматов файла VRML (Vir-tual Realitu Modeling Language) — форматов файлов для показа на мониторе трёхмерных объектов 3D-дисплеев,
• Голографические и др.

История создания стереоскопии

Схемы линзового и зеркального стерескопов

‎В 1837 году Уитстон, Чарльз изобрёл первый оптический стереоскоп (см.Фиг.1,), изготовленный в Англии примерно в 1850 году, содержащий два окуляра (с базовым расстоянием меду ними 65 мм).

В 1883 году был создан первый зеркальный стереоскоп. Его создатель — также Чарльзом Уитстон (Через три года, в 1886 году Даггером впервые содана первая фотография). Его конструкция не содержит оптических систем типа окуляров и состоит из двух зеркал. Глаза наблюдателя посредством этих зеркал видят раздельно и одновременно два изображения стереопары. Ход лучей создаёт раздельное рассмотрение каждого изображения и создаёт мнимое объёмное изображение в плоскоти. За последние более 100 лет создано множество стереоприборов, включая микроскопы, дающие возможность рассматривать стереофотоизображения. В 1896 году впервые способ сепарации стереоизображений без очков открыл Бертье. При помощи оптической растровой решётки, выполненной на плоско-параллельном стекле, получена возможность без очков рассматривать одну стереопару в одной плоскости под определённым углом.

В 1908 году создан Линзовый растр — создатель — профессор Парижского университета Габриель Ионас Липпман (1845-1921). Совершенная оптическая система линзовый растр обеспечивает рассмотрение стереопары, стереофотографии, стереоизображения. Их получают на базе разных материалов (стекло, пластмаса, металл на поверхности которых нанесен фотоэмульсирнный слой или флюорэсцентое покрытие (оптических стекол мониторов телевидения) и которые рассматриваются с очками и без очков под разными углами.

В 1929 году Seton Rochwite начал проектировать и изготавливать собственные стереофотоаппараты, а в 1940 году он создал первый опытный образец. Компания David White Милуоки приняла проект и в 1947 году успешно начала серийное производство стереофотоаппаратов «Stereo Realist» Сетона Рохвите.

К концу 1960-ых годов из-за сложности рассматривания стереоизображений к стереофотографи упал интерес и она быстро стала терять позиции. Производство стереофотоаппаратов прекратилось.

Оптический растр

Рис.1,Схема принципа сепарации стереоизображения

Способ сепереции изображений стереопары без применения каких-либо прибороав или очков получен на базе плоскопараллельного оптического стекла, предсавляющего оптический растр.

Сущность способа

См. Рис.1. На схеме фиг.А перед плоскостью изображения 1 установлена решётка — опический растр 2, на котором имеются чередующиеся параллельные прозрачные и не прозрачные верткальные полоски с шагом S. Изображение, находящееся в плоскоси 1, также состоит из чередующихся с одинаковым шагом S вертиеальных полосок d стереопары как у растра. Причём чередующиеся полоски П принадлежат одному изображению, полоски Л — другому. В пределах каждой полоски имеется узкий фрагмент полутонового изображения. Рассматривая в совокупности с определённого расстояния полоски сливаются в единое полутоновое изображение. Судя по ходу лучей на схеме Фиг.А, можно увидеть, что оптический растр производит сепарацию изображений стереопары.

Недостатки оптического растрирования:

• Уменьшение яркости составляет 50%;
• Возможно рассматривать только одну стереопару.

Линзовый растр

Рис.2,Линзово-растровая решётка

Растровая стереофотография (папример, получение стереоизображений на фотобумаге, сткле, металличеких, пласмассовых и др. поверхностях) обязана открытию линзового растра (ЛР).

ЛР (см.Рис.2) на Фиг.Б вместо прозрачных и не прозрачных чередующихся полос содержит прозрачные цилиндрические призмы 3 из оптического органического стекла, который носит название линзовый растр . Если в оптическом растре прозрачная полоска позволяет увидеть место с изображением, то непрозрачная полоска закрывает другое рядом расположенное изображение. В ЛР обе эти функции выполняет одна и та же вертикальноя цилиндрическая линза 3 шириной S . Она несет функции фокусировки точек изображения стереопары d c определённой кратностью; разделения их, обеспечивая принцип бинокулярного зрения чередующихся полосок изображений стереопары или нескольких стереопар. На схеме буквы П — это правый глаз, Л — левый.

На схеме Фиг.Б показан принцип разделения изображений стереопар бинокулярного зрения. Размер S цилиндрической линзы растра , рассчитанной из условия нормального разрешения зрительной системы (глаза), равной расстоянию между видимими рисками 0,176 мм, которые может рассиотреть глаз на дистанциит 250мм, обеспечивает раздельное, бинокулярное (без очков) рассмотрение изображений стереопар. Из основой формулы соотношений элементов линзового растра: $$d={\,S\over n}$$ где:

d — размер сфокусированной точки изображения,

n — кратность увеличения линзы ,

S — размер ширины цилиндрической линзы

видно, что кратность увеличения цилиндрической линзы = 4,6,8,10 и более и её размер S определяют размер точки d и их количество n. Точки одной стереопары занимают в плоскости изображения 1 малое место (Например, при n = 10 на длине S укладывается 5 стереопар, т.к. одна стереопара в каждой зоне S имеет 2 точки d).

Также на Фиг.Г видим, каждая точка изображения d плоскости 1 по высоте в пределах всей длины одного цилиндра образуют линию шириной d (все точки слиты), а за счёт кратности увеличения цилиндрической линзы она рассматривается как как полоса изображения, шириной S и так для каждой стереопары. При этом цилиндрическая линза производит увеличение только в плоскости, перпендикулярной оси цилиндра линзового растра, откуда и происходит превращение всех полосок стереопар в цельное изображение. (Оптические линзы прилегают друг к другу без промежумков. При наличии 200-300 точек d в плоскости 1 получаем изображение. Точки превращаются в полоски S только в перпендикулярном направлении к оси цилиндра).

Линзовые растры выпускаются в виде пластин (см.Растровая стереофотография) или лент из гибкого оптического оргстекла разных размеров с разным шагом S, равным не менее 0,15-0,2 мм.

Анаглифная стереофотография

Анаглифическое изображение (красное изображение - для правого глаза, голубое - для левого, чёрное будет видно обеими глазами. Для просмотра стереоизображения используют цветные фильтры, имеющих дополнительные цвета к цветам изображения)

Простейшие анаглифические очки с оправой из картона или пластика

Ана́глиф — изображение, созданное с целью получения стереоэффекта с помощью совмещённой при типографской печати стереопары, созданной двумя монохромными цветными изображениями (обычно — красным и голубым). Для просмотра стереоизображений, предназначенных для левого и правого глаза, используют очки, одно из «стёкол» которых представляет собой голубой, а второе — красный светофильтр.

Стереофотография

Cтереофотография спустя более 40 лет лет начала возрождаться. Это связано с быстрым развитием цифровой фотографии, которая приходит на смену аналоговой с применением фотоплёнки. Стереофотография находит широкое применением в микроскопии, лабораториях при иследованиях, в медицине при диагностике заболеваний и лечени в медицине, космосе, военной технике и т.д.

Стереофотоаппарат

Стереофотоаппарат Fujifilm CellNews

Серийная модель стереофотоаппарата (Китай) 2008 год

Появление цифровых и плёночных стереофотоаппаратов в серийном производстве вызвано возросшим спросом на рынке.

В 2008 году появился Стереофотоаппарат от Fujifilm CellNews. Стереоскопический фотоаппарат по своей конструкции ничем не отличается от обычных. Два объектива с базовым расстоянием как у всех предшественников, но вместо фотоплёнки применены фотосенсоры.

Компания 3D World(Китай) выпустила серийный стереофотоаппарат TL120-1, работающий на среднеформатной плёнке формата 120. Он позволяет вести съёки в двух режимах. Это стереосъёмка и съёмка в режиме одним фотообъективом.

Стереофотоизображение

Стереофотоизображение — воспринимаемое бинокулярным зрением стереоизображение, материальным носителем которого является электромагнитное излучение или свет. Лучи света при прохождении через оптическую систему (глаза, фотоаппарата...) образуют определённым образом трансформированное стереоизображение в воспринимающей структуре (на сетчатке, на экране, фотоматериале, фотосенсоре и др.) в соответствии с законами перспективы.

Растровая стереофотография

Рис.3,Растровая стереофотопечать

Растровая стерефотрафия (см. Рис.3, Фиг.1) в настоящее время используется в основном при стереофотопечати с использованием линзового растра. Она применяется при стереофопечати и учавствует в кодировании стереофотоизображений при экспонировании на фотоматериал изображений стереопар и приклейке линзовых растров на поверхность этих фотографий после сушки.

Кодирование — это способ нанесения узких вертикальных полосок.

Одна пара полосок кодирует одну стереопару стереоизображения и называется параллакс стереограммой.

Кодирование изображений, где много стереопар, называют параллакс-панорамограммой.

Сущность обычного сособа:

Стереофотопечать производится в последовательности действий — это:

• Установка стереонегативов в 2-х объективный фотоувеличитель;
• Наводка на резкость каждого из 2-х объективов до получения резких изображений в расчётном масштабе;
• Совмещение 2-х изображений в плоскости фотоматериалов;
• Одновременноное экспонирование кадров стереопары через линзово-растроаую пластинку (линзовый растр)!;
• Химобработка фотоматериалов;

После сушки фотоматериала производится наложение линзового растра на полученную закодированную фотографию с юстировкой положения линзовых элементов до получения чёткого стереоизображения с одновременным закреплением специальным оптически прозрачным клеем.

Сущность более совершенного способа:

Кодирование производится (см.Рис.3, Фиг.2, Фиг.3) с применением плоского оптического растра по типу растра см. на Фиг.А Рис.1. При этом, экпонирование ведётся в два приёма. Первый любй кадр экспонируется как обычно, поле чего смещается растр на шаг $l={\,p\over 2}$. Затем экспонируется 2-й кадр. Всё остальное тлже самое. Данный способ отличается тем, что не требуется расчётов настроек форматов кадра и самое главное, не возникает муара из-за толщины линзоаого растра при кодировании.Оптический растр точно расположен в плоскости светочувствительного слоя фотоматериала!

Псевдостереоскопия

«Качающаяся» стереоскопия. Технология GIF-анимации позволяет создать ощущение объёма даже при монокулярном зрении. Похожий механизм восприятия объёма реализует и природа — например, куры, качая головой, обеспечивают высококачественное восприятие (хотя поля зрения их глаз перекрываются очень мало)

Технология GIF-анимации позволяет создать ощущение объёма даже при монокулярном зрении.

Похожий механизм восприятия объёма реализует и природа — например, куры идут, постоянно покачивая головой вперёд-назад, что обеспечивает им высококачественное зрительное стереовосприятие для каждого глаза (хотя поля зрения их глаз перекрываются очень мало). Это позволяет выделить мелких насекомых в траве, зёрна, и другой корм.

Фотография ок. 1900 гг. Продавец буддийских сувениров. Автор Тамотсу Енами.

Восприятие объёма может быть получено не только с помощью одновременного рассматривания объекта или изображения двумя глазами одновременно, но и путём достаточно быстрой смены изображений в одном канале изображения (при монокулярном зрении). Так, технология

Аналогичный метод предложен и для «псевдостереотелевидения» — путём создания анаглифического изображения для движущихся, динамических объектов. Вместо одновременного рассматривания изображения, видеосигнал расщепляется по двум цветовым каналам (обычно — красный и голубой, с применением соответствующих очков). Динамическое плоское цветное монокулярное изображение обрабатывается таким образом, что на один глаз (например, красный канал) подаётся неизменный видеосигнал, а на второй (голубой канал) — подают сигнал с небольшой временной задержкой, от изменившейся динамической сцены. За счёт движения объектов в сцене, человеческий мозг получает «объёмное изображение» (но только если объекты переднего плана либо смещаются, либо поворачиваются). Недостатком данного метода является ограниченность типа сцен, в которых может возникнуть стереоэффект, а также заметная потеря качества цветной картинки (каждый глаз получает почти монохроматическое цветное изображение).

• Ещё один метод получения псевдостереоизображения — использование нервных задержек зрительного аппарата. Тёмное изображение воспринимается глазом несколько медленнее, чем светлое. Если прищурить один глаз (или смотреть через тёмное стекло) — «запаздывающее» предыдущее изображение видеоряда наложится на текущее изображение, воспринимаемое другим глазом. Если камера движется параллельно плоскости кадра («съёмка из окна поезда») — «затемнённый» глаз будет воспринимать видеоряд со своего ракурса, а второй — с близкой точки, что порождает неожиданно сильный стереоэффект. Практического применения не имеет из-за ограниченности возможных ракурсов, но лёгок в экспериментальном получении — достаточно мобильного телефона с камерой, электрички и прищуренного глаза.

См. также

• Стереоскоп
• Стереоизображение
• Стереоскопическое зрение
• Стереокино
• Голография
• Ближнепольный оптический микроскоп