Какими бы ни были методы съемки и воспроизведения стереоизображений, следует прежде всего не забывать, что главным «устройством», обеспечивающим человеку возможность видеть их в объеме (равно как и вообще возможность объемного видения), является мозг. Именно он (обучаясь этому с рождения), обрабатывая сигналы, поступающие по зрительным нервам от глаз, создает то восприятие, которое мы называем зрением. Поэтому сущность любой технологии создания и воспроизведения стереоизображений заключается лишь в том, чтобы предоставить мозгу максимум необходимой информации, - всё остальное мозг сделает сам. Более того, как мы увидим далее, мозг способен воссоздать ощущение объема даже по обычной, «плоской» фотографии.
Основа стереоскопического восприятия лежит в сравнении («компарации») мозгом двух изображений, поступающих с левого и правого глаза (поскольку их зрительные поля – области зрения – частично перекрываются). Такое зрение называют бинокулярным.
Глаза человека обеспечивают стереоскопическое видение предметов практически во всём поле зрения (кроме небольших участков по краям слева и справа). Расстояние между зрачками человека (межзрачковое расстояние), называемое стереобазисом, колеблется в пределах от 54 до 72 мм и в среднем (по результатам большого числа наблюдений) равно 63 – 64 мм. Это расстояние сравнительно невелико, поэтому мы можем видеть в объеме только сравнительно близкие предметы (на расстоянии до нескольких десятков метров), а при удалении к горизонту стереоэффект уменьшается и очень далекие предметы мы воспринимаем как «находящиеся в одной плоскости».
Когда мы фиксируем взгляд на выбранной точке какого-либо предмета, оси зрения обоих глаз направляются на данную точку (конвергенция). При этом видимые каждым глазом изображения немного отличаются друг от друга («Л» и «П» на рис. 1), а мозг, анализируя эти различия, вырабатывает ощущение глубины пространства. При этом расстояние между проекциями одной и той же точки наложенных друг на друга изображений на сетчатке правого и левого глаза (параллакс) тем больше, чем дальше данная точка отстоит в пространстве от некоторой «нулевой» плоскости (перпендикулярной лучу зрения и проходящей через точку, на которую сфокусирован взгляд). Мозг извлекает из поступающей с обоих глаз (для чего служит имеющееся в нем особое перекрестье нервных волокон – хиазма) информацию о контурах наблюдаемых объектов и «подстраивает» положение глаз так, чтобы в основном эти контуры совпадали, после чего по углам поворота глаз (угол конвергенции) мозг определяет относительное расстояние до этой точки, а по расхождению отдельных контуров получает информацию о том, что соответствующие объекты располагаются ближе или дальше, чем точка фокусировки взгляда.
Таким образом, для получения стереоизображения – например, стереофотографии нужно отснять два кадра («левый» и «правый») с двух точек, расстояние между которыми соответствует стереобазису (т.е. сфотографировать объект «с точки зрения» левого и правого глаза). Такая пара кадров называется стереопарой. При воспроизведении же стереоизображения нужно тем или иным способом сделать так, чтобы правый глаз видел только свой, «правый» кадр стереопары, а левый глаз – только левый кадр. Именно этого пытаются достичь при помощи любого из используемых методов воспроизведения стереоизображений (о них будет рассказано в последующих выпусках журнала – Прим. ред.).
Впрочем, следует заметить, что наш мозг – это чрезвычайно мощный «компьютер». Он на основании уже имеющегося у каждого из нас повседневного опыта способен восстанавливать недостающую видеоинформацию, «моделировать» стереоизображение даже без наличия стереопары. Эту возможность отмечал еще Яков Исидорович Перельман – знаменитый российский (советский) ученый и популяризатор физики, математики и астрономии начала XX века: в своей книге «Занимательная физика» (книга 1) он значительное внимание уделил и интересующему нас вопросу – стереотехнике.
Процитируем то, что Я. И. Перельман писал в главе 9 («Зрение одним и двумя глазами»).
Искусство рассматривать фотографии
По устройству своему фотографическая камера — большой глаз: то, что рисуется на ее матовом стекле[1], зависит от расстояния между объективом и снимаемыми предметами. Фотографический аппарат закрепляет на пластинке перспективный вид, который представился бы нашему глазу (заметьте — одному глазу!), помещенному на месте объектива. Отсюда следует, что раз мы желаем получить от снимка такое же зрительное впечатление, как и от самой натуры, мы должны:
1) рассматривать снимок только одним глазом и
2) держать снимок в надлежащем расстоянии от глаза.
Нетрудно понять, что, рассматривая снимок двумя глазами, мы неизбежно должны увидеть перед собой плоскую картину, а не изображение, имеющее глубину. <…>
Теперь ясно, в какую ошибку впадаем мы, когда рассматриваем фотографию двумя глазами; этим мы навязываем своему сознанию убеждение, что перед нами именно плоская картина! Когда мы предлагаем обоим глазам снимок, предназначенный только для одного, мы мешаем себе видеть то, что должна дать нам фотография; вся иллюзия, в таком совершенстве создаваемая фотографической камерой, разрушается этим промахом.
На каком расстоянии надо держать фотографию?
Столь же важно и второе правило – держать снимок в надлежащем расстоянии от глаза; в противном случае нарушается правильная перспектива. Каково же должно быть это расстояние? Для получения полного впечатления надо рассматривать снимок под тем же углом зрения, под каким объектив аппарата «видел» изображение на матовом стекле камеры, или, что то же самое, под каким он «видел» снимаемые предметы (рис. 2).
Отсюда следует, что снимок надо приблизить к глазу на расстояние, которое во столько же раз меньше расстояния предмета от объектива, во сколько раз изображение предмета меньше натуральной величины. Другими словами, надо держать снимок от глаза на расстоянии, которое приблизительно равно фокусной длине объектива.
Если мы примем во внимание, что в большинстве любительских аппаратов фокусное расстояние равно[2] 12 – 15 см, то поймем, что мы никогда не рассматриваем таких снимков на правильном расстоянии от глаза: расстояние лучшего зрения для нормального глаза (25 см) почти вдвое более указанного. Плоскими кажутся и фотографии, висящие на стене, – их рассматривают с еще большего расстояния. Только близорукие люди, с коротким расстоянием лучшего зрения (а также дети, способные видеть на близком расстоянии), могут доставить себе удовольствие любоваться тем эффектом, который дает обыкновенный снимок при правильном рассматривании (одним глазом). Держа фотографию на расстоянии 12 – 15 см от глаза, они видят перед собой не плоскую картину, а рельефный образ, в котором передний план отделяется от заднего почти как в стереоскопе.
Читатель, надеюсь, согласится теперь, что в большинстве случаев мы только по собственному неведению не получаем от фотографических снимков в полной мере того удовольствия, какое они могут доставить, и часто напрасно жалуемся на их безжизненность. Все дело в том, что мы не помещаем своего глаза в надлежащей точке относительно снимка и смотрим двумя глазами на изображение, предназначенное только для одного.
Странное действие увеличительного стекла
Близорукие люди, как мы сейчас объяснили, легко могут обыкновенные фотографии видеть рельефными. Но как быть людям с нормальными глазами? Они не могут придвигать изображений очень близко к глазу, но им поможет здесь увеличительное стекло. Смотря на снимок через чечевицу с увеличением в два раза, такие люди легко могут приобрести указанные выгоды близорукого, т. е., не напрягая глаз, могут видеть, как фотография приобретает рельефность и глубину. Разница между получаемым при этом впечатлением и тем, что мы видим, глядя на фотографию двумя глазами с большого расстояния, – огромна. Такой способ рассматривать обыкновенные фотографии почти заменяет эффекты стереоскопа.
Теперь становится понятным, почему фотоснимки часто приобретают рельефность, если смотреть на них одним глазом в увеличительное стекло. <…>
На том же основан любопытный эффект так называемых «панорам», продающихся в игрушечных магазинах[3]. В этих маленьких приборах обыкновенный снимок ландшафта или группы рассматривается через увеличительное стекло одним глазом. Этого уже достаточно для получения рельефа; иллюзию обыкновенно усиливают еще тем, что некоторые предметы переднего плана вырезаются отдельно и помещаются впереди фотографии; глаз наш очень чувствителен к рельефности ближайших предметов и не столь восприимчив к более далеким рельефам.
Увеличение фотографий
Нельзя ли изготовлять фотографии так, чтобы нормальный глаз мог правильно рассматривать их, не прибегая к стеклам? Вполне возможно, – для этого достаточно только пользоваться камерами с длиннофокусными объективами. После сказанного раньше понятно, что снимок, полученный при помощи объектива с 25 – 30-сантиметровым фокусным расстоянием, можно рассматривать (одним глазом) на обычном расстоянии – он покажется достаточно рельефным.
Можно получать и такие снимки, которые не будут казаться плоскими при рассматривании даже двумя глазами с большого расстояния. … когда оба глаза получают от какого-либо предмета два тождественных изображения, сознание сливает их в одну плоскую картину. Но эта склонность быстро ослабевает с увеличением расстояния. Практика показывает, что снимки, полученные с помощью объектива с 70-сантиметровым фокусным расстоянием, могут быть непосредственно рассматриваемы обоими глазами, не утрачивая перспективности.
Необходимость располагать длиннофокусным объективом опять-таки представляет неудобство[4]. Поэтому укажем и другой способ: он состоит в том, что увеличивают снимок, полученный обыкновенным аппаратом. При таком увеличении соответственно удлиняется и правильное расстояние, с какого нужно снимок рассматривать. Если фотографию, снятую 15-сантиметровым объективом, увеличить в 4 или 5 раз, то этого уже достаточно для получения желаемого эффекта: увеличенную фотографию можно рассматривать обоими глазами с расстояния 60 – 75 см. Некоторая неясность снимка не мешает впечатлению, так как с большого расстояния она малозаметна. В смысле же рельефности и перспективности снимок несомненно выигрывает.
Лучшее место в кинотеатре
Частые посетители кинотеатров заметили, вероятно, что некоторые картины отличаются необыкновенной рельефностью: фигуры отделяются от заднего плана и настолько выпуклы, что забываешь даже о существовании полотна и видишь словно подлинный ландшафт или живых артистов на сцене.
Такая рельефность изображений зависит не от свойства самой ленты[5], как часто думают, а от места, где помещается зритель. Кинематографические снимки хотя и производятся с помощью весьма короткофокусных камер, но проектируются на экран в сильно увеличенном виде, – раз в сто, – так что их можно рассматривать двумя глазами с большого расстояния (10 см × 100 = = 10 м). Наибольшая рельефность наблюдается тогда, когда мы смотрим на картины под тем же самым углом, под каким аппарат «смотрел» на свою натуру при съемке. Тогда перед нами будет естественная перспектива.
Как же найти расстояние, отвечающее такому наивыгоднейшему углу зрения? Для этого нужно выбрать место, во-первых, против середины картины, а во-вторых, на таком расстоянии от экрана, которое во столько же раз больше ширины картины, во сколько раз фокусное расстояние объектива больше ширины кинематографической ленты. Для кинематографических снимков обыкновенно пользуются камерами с фокусным расстоянием 35 мм, 50 мм, 75 мм, 100 мм, в зависимости от характера съемки.
Стандартная ширина ленты 24 мм. Для фокуса, например, в 75 мм имеем отношение:
(искомое расстояние/ширина картины) =
= (фокусное расстояние/ширина ленты) = 75/24
Итак, чтобы найти, на каком расстоянии надо в этом случае сесть от экрана, достаточно ширину картины увеличить примерно в 3 раза. Если ширина кинематографического изображения 6 шагов, то лучшие места для рассматривания этих кадров расположены в 18 шагах от экрана[6].
Этого обстоятельства не следует упускать из виду при испытании различных предложений, имеющих целью придать кинокартинам стереоскопичность: легко приписать испытываемому изобретению то, что обусловлено указанными причинами.
Совет читателям иллюстрированных журналов
Воспроизведения фотографий в книгах и журналах имеют, конечно, те же свойства, что и оригинальные снимки: они тоже становятся рельефнее, если рассматривать их одним глазом и с надлежащего расстояния. Так как разные фотографии сняты аппаратами с различным фокусным расстоянием, то отыскивать надлежащие расстояния для рассматривания приходится испытанием. Закрыв один глаз, держите иллюстрацию на вытянутой руке так, чтобы плоскость ее была перпендикулярна к лучу зрения, а ваш открытый глаз приходился против середины снимка. Теперь приближайте постепенно снимок, не переставая всматриваться в него; вы легко уловите момент, когда он приобретет наибольшую рельефность.
Многие снимки, неотчетливые и плоские при обычном рассматривании, получают глубину и ясность, если смотреть на них описанным способом. Нередко при таком рассматривании становятся заметны блеск воды и другие чисто стереоскопические эффекты.
В заключение остается резюмировать следующее. Во-первых, наш мозг способен «восстанавливать» впечатление об объеме даже по «плоскому» изображению (фото или видео), если рассматривать его одним глазом и с правильного расстояния. А во-вторых, это правильное расстояние проще всего определить экспериментально: зажмурив один глаз (либо закрыв его специальной «шторкой» или повязкой), при рассматривании изображения приближать/отодвигать фотографию либо самому приближаться/отодвигаться от экрана. Проверено: для современных крупноэкранных телевизоров это действительно работает (хотя, конечно, возможно, что степень получаемого впечатления об объеме может быть сугубо индивидуальной, зависящей от «воображения» конкретного зрителя).
(Журнал "Мир 3D / 3D World" №1 / 2011
(http://mir-3d-world.ipo.spb.ru/2011/3dworld_1_2011.pdf)
[1] Имеется в виду старинная фотокамера начала XX века, в которой изображение с объектива проецировалось на матовое стекло, выполняющее роль видоискателя (для собственно фотосъемки взамен матового стекла ставилась стеклянная фотопластинка. Однако все эти рассуждения верны и для современных фотокамер, если мысленно заменить матовое стекло на фотопленку или фотоматрицу цифрового фотоаппарата. – Прим. авт.
[2] Здесь также имеются в виду старинные фотоаппараты начала XX века; в настоящее время нужное фокусное расстояние надо подбирать экспериментально. Кроме того, речь здесь идет и о фотоснимках, сделанных именно на таких фотоаппаратах, т.е. без учета фотоувеличения или телескопического объектива; рассуждения, связанные с увеличением фотографий, приводятся далее. – Прим. авт.
[3] Сегодня таких игрушек уже не выпускают… А жаль – при достаточно простой конструкции игрушка была бы занимательная для детей младшего возраста, которым компьютер (или другую электронику) пока не доверишь… – Прим. авт.
[4] К сожалению, большинство современных цифровых «мыльниц» не только не имеют сменных объективов, но и имеющиеся в них объективы, как правило, короткофокусные (ради того, чтобы умещать в кадр как можно больше). – Прим. авт.
[5] То же верно и для современных кинотеатров, основанных на использовании любой технологии видеовоспроизведения (аналоговая или цифровая видеозапись). Это верно и для других видеотехнологий (воспроизведение фильмов на компьютере или при помощи медиапроектора, телевидение и пр.). – Прим. авт.
[6] Для цифрового видео расчет будет несколько сложнее, но принцип аналогичен. Впрочем, и в этом случае (например, для домашнего телевизора) можно просто попытаться найти требуемое расстояние экспериментально. – Прим. авт.