Акелла – вожак волчьей стаи, воспитавшей героя сказки Редьярда Киплинга «Маугли». (Примечание автора.)
Мы, как и все млекопитающие, обладаем так называемым бинокулярным зрением. Это позволяет нам адекватно отслеживать расположение и форму окружающих предметов. Особенно хорошо развит этот механизм у хищников и обезьян. Если бы они не имели пространственного зрения, каждый промах мог стоить им обеда и даже жизни.
Процесс стереозрения очень сложен и до сих пор мало изучен.
Наш глаз умеет определять размеры, форму и удаленность предметов различными способами. Эти механизмы отработаны длительной эволюцией нервной системы, но управлять ими мы учимся в течение первых трех лет жизни. В этом нам помогает анализ перспективных искажений предметов, истинные размеры которых заранее известны, язык рисунка светотени, эффекты воздушной перспективы, цветовые искажения и неравномерное смещение предметов во время движения наблюдателя. Перечисленные выше механизмы относятся к категории монокулярного пространственного зрения, которые позволяют нам уверенно ориентироваться в пространстве даже с одним глазом.
Благодаря монокулярному стереозрению каждый из нас способен адекватно оценить пространство на фотографии или картине художника, но получить ощущения реальной глубины как на этом стереоснимке все-таки не удается. Поэтому самым точным и эффективным инструментом восприятия пространства является бинокулярное зрение.
Глаза, расположенные на некотором расстоянии друг от друга в горизонтальной плоскости, воспринимают изображение пространства таким образом, что два зрительных поля частично перекрываются, образуя зону стереовидения.
Каждый глаз видит чуть-чуть разную картину. Левому глазу дано видеть то, что спрятано за объектом для правого глаза, а правый получает обратное преимущество. Благодаря этому эффекту, называемому параллаксом, мы можем довольно точно определить расстояния до различных точек сцены.
Но параллакс - не единственный механизм стереозрения. Наши глаза направлены на объект под разными углами (конвергенция), и хрусталик сфокусирован на зоне внимания, а не на заднем плане (аккомодация). Это еще два канала информации о пространстве сцены. И не дай бог что - то здесь нарушить! Наш мозг сразу заподозрит обман.
Мозг, анализируя полученные сигналы, удивительным образом восстанавливает в сознании пространственную картину наблюдаемой сцены.
Представим, что мы смотрим на группу предметов с угловым размером сцены (α) с некоторого расстояния до их центра - (Za).
Изображения проецируются хрусталиками в центральные ямки желтого пятна сетчаток правого и левого глаза (рис.4), где острота зрения имеет максимальное значение. Изображения, которые формируются правым и левым глазом несколько отличаются благодаря явлению параллакса. Расстояние между зрачками у разных наблюдателей (Вгл) колеблется в некоторых пределах (где-то от 55 до 70 мм).
(Это очень важный параметр, который необходимо учитывать при создании стереоизображения).
В процессе бинокулярного восприятия оптические оси каждого глаза рефлекторно будут направлены в центр композиции. Угол (β) между этими осями называют углом конвергенции. (См. рис. 4)
Одновременно глаза фокусируются на группе предметов сцены, расположенных на расстоянии (Za). Этот процесс называют аккомодацией, а его величину определяют в диоптриях линзы хрусталика глаза.
Таким образом в процессе бинокулярного стереозрения глаза человека подсознательно отслеживают угол конвергенции оптических осей и аккомодацию хрусталика относительно выделенных взглядом предметов сцены. Эти два параметра мозг использует для довольно точного определения расстояний между объектами и наблюдателем. Подобным образом поступают геодезисты, измеряя угол (β) при известной стереобазе (В) наблюдения точки в пространстве.
Задачу определения расстояний путем измерения угла и стереобазы называют триангуляцией.
Информация для тех, кто дружит с математикой.
Рассмотрим общий случай восприятия стереосцены, состоящей из двух точек А и В. Оказывается, можно найти множество равноудаленных по глубине точек наблюдаемой поверхности как функцию параллакса.
С целью создания математической модели, достаточно хорошо описывающей процесс стереовосприятия, упростим геометрические построения и рассмотрим модель экранного синтеза изображения в параксиальном приближении.
Пользуясь приведенным чертежом и учитывая подобие треугольников, получаем соотношения:
(A;1)/Dx=Ya/Yb; (A;1)/Δxl=Ya/f;
(BL;BR)/Dx=(Yb+f)/Yb; (AL;AR)/Dx=(Ya+f)/Ya;
Δ/Dx=ΔY/Yb; ΔY=Yb-Ya;
(AL;AR)-(BL;BR)=(Δxr-Δxl);
ΔY=(Δxr-Δxl)/(Dx*f/(Ya)2-(Δxr-Δxl)/Ya);
(Δxr-Δxl)/Ya≈0;
ΔY=Tk*(ΔXr-ΔXl);
где Tk=(Ya)2/[f*Dx-Ya*(ΔXr-ΔXl)]
В формулах использовались такие обозначения:
Dx - стереобаза наблюдателя,
Ya - координата точки A,
Δxl - расстояние между проекциями точек А и В на сетчатке левого глаза,
Δxr - между проекциями точек А и В на сетчатке правого глаза.
Реальная область восприятия достаточно узка по сравнению с общим углом охвата сцены (в пределах желтого пятна сетчатки). В этом случае (при условии больших расстояний до объекта наблюдения по сравнению с размерами самого объекта), углы и их тангенсы приблизительно равны. Благодаря узкой области стереоопсиса в пределах полей сетчаток глаз, общая картина пространства наблюдаемой сцены восстанавливается последовательно от одной области к другой. Целостное восприятие сцены поддерживается механизмами временной памяти мозга.
Таким образом, величины смещения проекции точки (В) на сетчатке глаза определяют ее координату относительно некоторой точки отсчета (А), координаты которой известны или вычислены по значению стереобазы (Dx) и углу конвергенции (φk) (конвергенцией глаз называется физиологический акт сведения зрительных осей глаз при рассматривании близко расположенных предметов).
Наблюдения показывают, что отсутствие некоторой опорной точки (А) в пределах анализируемого участка пространства приводит к неопределенности оценки расстояний, или разрушению впечатления трехмерности.
Стереозрение – процесс более сложный, нежели триангуляция.
Мозг прикидывает относительное положение сразу целого множества предметов и их деталей, выполняя эту операцию одновременно для всей сцены.
Вероятнее всего аккомодация и конвергенция в процессе стереозрения – это лишь подготовка к решению задачи, некая настроечная функция, а определение глубины пространства происходит в процессе сравнения проекций изображений предметов на сетчатках обеих глаз.
Эту гипотезу подтверждает приведенный выше снимок, когда компоненты стереопары, проецируются на несопряженные (не участвующих в процессе совместного анализа) участки сетчатки глаз. В этом случае стереоэффект исчезает и глаз воспринимает лишь две независимые картинки, а не единый зрительный образ.
Если межглазное расстояние выразить через (Вгл ≈ 65мм.), аккомодацию глаз (А) - в диоптриях, а расстояние до сцены (Za) в миллиметрах, то можно вывести формулу, которая выражает естественную связь угла конвергенции в радианах и аккомодацию глаз:
β = (Вгл)*(А)/1000 (1)
Напомню, что диоптрия – это физическая величина оптической силы линзы, используемая в оптических расчетах, равная 1/F. Где F – фокусное расстояние линзы, измеряемое в метрах.
На основании ряда экспериментов установлено, что стереоэффект имеет место при расхождении согласованности величин конвергенции и аккомодации в три диоптрии, но для снижения утомляемости глаз расхождение следует удерживать в диапазоне (±1) диоптрии. Это важное ограничение следует выполнять всегда и неукоснительно, если Вы хотите воспроизвести реалистическое впечатление от рассматривания изображения объемной сцены на стереодисплее (см. рис. 5). В свою очередь глубина воспроизводимого пространства на стероснимках всегда будет ограничена вышеприведенным соотношением (1), т.к. аккомодация глаза для всех объектов сцены будет определяться расстоянием от глаз зрителя до изображения. Следует отметить, что это один из самых важных факторов, влияющих на правильную передачу пространства на стереоснимке.
Кроме того, если угловые размеры сцены (α) во время регистрации и воспроизведения не будут совпадать, наблюдатель почувствует неприятное искажение глубины пространства.
Наглядно это можно видеть на стереопарах конца 19, начала 20 веков, где фотографы намеренно усиливали проявление стереоэффекта за счет увеличения размера стереобазы между объективами во время съемки. Надо отметить, что делалось это из соображений достижения стопроцентного успеха при рассматривании стереопар людьми с различной степенью стереовосприятия.
Продифференцировав формулу (1) по координате глубины (Z), получим выражение, позволяющее вычислить предельное количество различаемых глазом планов по глубине сцены.
dZ = -dα*Z²/(B гл.), (2)
Используя уравнение (2) и значения предельного углового разрешения глаза, стереобазы, а так же оптической силы хрусталика, обнаружим, что среднестатистический наблюдатель невооруженным глазом способен различить не более 210 планов. А если он будет рассматривать стереоснимок на экране монитора или с проблемами зрения, и того меньше - где-то около 30-ти.
В технологии стереофотографии предел пространственного разрешения ограничен качеством оцифровки, резкостью и зернистостью изображения, глубиной цвета и степенью отклонения угла наблюдения снимка от углового охвата объектива при съемке. Как видите, до идеальной эмуляции трехмерной действительности очень далеко. Для растровой стереофотографии эти значения будут еще скромнее. Только голографическое изображение, восстановленное лазерным светом может создать полную иллюзию реальности пространства.
«Но не так страшен черт, как его малюют»… Создавая свои стереофотоснимки, каждый должен понимать, какие ограничения ждут его на пути к достижению высокого качества и яркого впечатления от очередной работы.
Поэтому, планируя будущий стереоснимок, в первую очередь определитесь размером отпечатка или экрана, а так же дистанцией, с которой будут рассматривать будущее стереоизображение, обеспечьте границы регистрируемой сцены по глубине, оптимальную дистанцию до главного объекта и в точном соответствии с расчетом установите стереобазу фотосъемки. При этом используйте такую фототехнику, которая обеспечит оптимальное разрешение и широту цветовой палитры снимка.
Для того, что бы получить стереоснимок, следует запечатлеть два ракурса, соответствующие изображениям, которые воспринимают наши правый и левый глаз одновременно.
Это можно сделать тремя способами:
- одновременная фотосъемка двумя синхронизированными аппратами,
- последовательная фотосъемка двух ракурсов одним аппаратом,
- фотосъемка одним аппаратом через специальную стереонасадку на объективе (смотри рис. 10 - 11).
Второй способ является самым доступным и дешевым. Он обеспечивает наивысшее качество стереоизображений неподвижных объектов. Так как используется только один фотоаппарат, не требуется сложная переделка серийных моделей с целью синхронизации их работы. В большинстве задач последовательная съемка вполне устраивает любителей пейзажа, портрета и натюрморта.
При проведении фотосъемки ракурсов фотоаппарат можно не поворачивать, как рекомендуют некоторые авторы. Любителю будет проще при последующей обработке стереокадра в графическом редакторе произвести несложную и более точную коррекцию, контролируя результат через светофильтры анаглифных очков.
Благодаря меньшим размерам матрицы цифровых компактов, нежели кадра пленочного аппарата, глубина резкого отображаемого пространства при цифровой стереосъемке значительно больше, что положительно сказывается на качестве получаемого стереоэффекта.
Стереоскоп - один из наиболее простых приборов для рассматривания стереопар. Тем не менее, стереофотограф всегда озадачен тем, как обеспечить оптимальное позиционирование камеры во время последовательной съемки стереопары. Как правильно определить базу стереосъемки?
Вся проблема заключается в том, что стереопара воспроизводит пространство с большими ограничениями. Расхождение конвергенции и аккомодации глаз при рассматривании стереопары из плоских изображений возникает неизбежно, так как составляющие стереоснимка всегда сфокусированы в одной плоскости, будь-то анаглифный, растровый или стереоскопный варианты. Поэтому следует смириться с тем, что комфортно наблюдаемое пространство всегда будет ограничено.
Задний и передний планы на Вашем стереоснимке следует оганичить глубиной сцены ∆. Это условие желательно выполнять всегда для обеспечения комфортного восприятия стереоэффекта.
∆ = Z дальн – Z ближн = F(Z гл) (4)
В рег = f(Z гл) (5)
Учитывая ограничения, вызванные необходимостью пропорциональной передачи продольных размеров сцены и пределом дисбаланса аккомодации и конвергенции глаз наблюдателя, можно составить таблицу значений (В рег. - стереобаза съемки), (Z дальн.) и (Z ближн.) в зависимости от дистанции (Zгл.) – расстояния от камеры до главного объекта сцены.
Сделать это можно, используя специальное устройство – «стереорельс», который можно заказать у производителей. Стоимость такого устройства достаточно высока, поэтому я рекомендую приобрести в магазине, где продают мебельную фурнитуру, направляющие для выдвижных ящиков с линейными шарикоподшипниками. Два стереорельса Вам обойдутся примерно в 85 рублей, если не считать небольших усилий по устройству крепления аппарата.
Фотосъемка одной фотокамерой всегда осуществляется со штатива. Это значительно облегчит последующую обработку стереофотографий. Обладая некоторыми навыками и хорошим глазомером, можно делать стереосъемку прямо с рук, но начинать лучше, используя штатив и стереорельс.
Главное, о чем всегда следует помнить, что неправильно выбранная стереобаза сведет на нет Ваши усилия при создании стереоснимка. Стереобаза вычисляется по формуле:
Здесь Base — линейная стереобаза, Parallaxfore — параллакс на переднем плане, Lfore — расстояние до предмета, находящегося на преднем плане, — ближайшего к нам предмета, f — фокусного расстояние объектива, L — расстояние до точки фокусировки объектива, M — увеличение негатива, включая изменения размера при печати фотографий, сканировании, кадрировании и др.
Для всех, кто интересуется стереофотографией и стерео видеосъемкой, рекомендую обратиться к книге:
С.Н. Рожков, Н.А. Овсянникова
Стереоскопия в кино, фото, видеотехнике.
Терминологический словарь. — М.: «Парадиз», 2003 — 136 с.
ISBN 598547003-2