Третье измерение в фото- и видеосъемке
Часть I. Цифровое возрождение стереосъемки
Анаглифные изображения, получаемые с использованием дополнительных светофильтров
Стереовидение с использованием стереоочков на жидких кристаллах
Растровая стереофотография и вариоизображения
Мы живем в трехмерном мире, или, говоря современным языком, в 3D-пространстве. Благодаря свойствам наших глаз — бинокулярному зрению и быстрому хаотичному «сканированию» глазом осматриваемых предметов — мы можем видеть мир в объеме. Когда мы смотрим на окружающие нас предметы, два независимых изображения, получаемых левым и правым глазом, и постоянное «сканирование» позволяют нам воспринимать предметы под различными углами, а затем проанализированное нашим мозгом изображение приобретает глубину. Именно такое объемное восприятие и пытается воссоздать стереофотография. Ведь по своей сути стереофотография — это лишь информация об образе, имитирующая те зрительные ощущения, которые возникают при непосредственном, живом восприятии окружающего мира.
аверное,
вам попадались на глаза стереоскопические фотографии, переливающиеся вариоизображения
(картинки, меняющиеся при изменении угла наклона), голограммы, различные рисунки,
создающие оптические иллюзии объемного изображения, а возможно, много лет назад
кто-то видел в кинотеатре «Октябрь» стереофильмы, которые смотрели в специальных
очках.
В свое время в журнале «Наука и жизнь» неоднократно публиковались статьи, в которых рассказывалось, как получается стереоэффект в так называемых магических картинках (см., например, № 4’1968, № 5, 8’1969, № 2’1970, № 1’1979, № 10’1986, № 8’1994, № 2’1995).
Собственно, получить из плоских картинок объемное изображение пытались еще
тогда, когда не то что компьютеров — даже фотографии не существовало. В XV веке
о подобной технологии упоминал еще Леонардо да Винчи, а в 1593 году Джованни
Батиста делла Порта (1538-1615), итальянский архитектор, ученик Микеланджело,
написал, что в нашем сознании комбинируются изображения, полученные обоими глазами,
и подробно описал отдельные составляющие стереопары. Первые дошедшие до нас
рисунки, созданные по этой технологии, относятся к тому же периоду и выполнены
Джакопо Чименти да Эмполи (1554-1640). Рисунки помещены рядом, что ясно указывает
на понимание технологии стереовидения. А в 1613 году иезуит Франкоис д’Агильон
(1567-1617) в своем трактате впервые ввел термин «stereoscopique». 
Но первые доступные массовому зрителю устройства, позволявшие создавать стереоскопический эффект, появились только в середине XIX века. В 1833 году Чарлз Уитсон изготовил первый зеркальный стереоскоп, а в 1849 году Давид Брюстер разработал линзовый стереоскоп.
Иллюзия объемности достигалась путем разделения картинок для левого и правого глаза. А благодаря работе нашего мозга две различные, но созданные по особым правилам картинки соединялись в объемное изображение. Все это произошло еще до появления фотографии, изобретенной в 1839 году Л.Ж.М.Дагером. Однако если фотография из развлечения быстро превратилась в рабочий инструмент, то стереоизображения так и остались на долгое время забавой, причем довольно сложной в реализации.
В настоящее время получением стереоизображений занимаются многие, в Интернете можно найти множество материалов по этой теме. Существуют многочисленные объединения фанатов стереоскопической фотографии, а также кино- и видеосъемки. Они объединены, например, в Stereoscopic 3D Web Ring (систему перекрестных ссылок), попасть на которую вы можете с сайта отечественного ресурса по технологии создания варио- и стереоизображений Сибирского инновационно-технологического центра «Прогресс» (http://www.progress.tomsk.ru/vario/).
Необходимо отметить, что именно с появлением компьютеров и цифровых технологий обработки и печати изображений стереофотография получила мощный толчок к дальнейшему развитию и сегодня наконец стало относительно просто реализовать многие когда-то сложные технологии в этой области. Именно компьютерные технологии создания и показа стереофотографий мы хотим рассмотреть в данном цикле статей, и, обратившись к хорошо забытому старому, расскажем, где и как можно использовать достижения стереофото- и видеосъемки сегодня.
Стереограммы
Собственно, когда мы говорим о стереоизображениях, то чаще всего имеем в виду стереограммы. Первые стереограммы появились еще в XIX веке и представляли собой две маленькие картинки для левого и правого глаза, расположенные на расстоянии примерно 6,5 см друг от друга (это среднее расстояние между центрами глаз человека, которое колеблется от 5 до 7 см). Для того чтобы увидеть объемное изображение, необходимо расфокусировать глаза и попытаться свести два изображения в одно (подробно о таких стереограммах рассказывается, например, в «Занимательной физике» Я.И.Перельмана).
Существуют различные методики обучения этому способу рассматривания стереограмм,
и если вы овладеете хотя бы одной из них (а обучается примерно каждый десятый),
то сможете увидеть объемные изображения вместо приведенных пар.
Для облегчения просмотра таких стереоизображений созданы несложные устройства — стереоскопы. Объемные изображения в них создаются двумя слайдами — для левого и для правого глаза. Стереоскоп по своей конструкции напоминает бинокль. Он состоит из двух окуляров, щели для слайдов и матового стекла, которое создает равномерное рассеянное освещение. Для удобства просмотра расстояние между окулярами может подстраиваться индивидуально. Слайды или фотографии для стереограмм можно получить при помощи специальных двухобъективных фотоаппаратов с синхронными затворами или же, при съемке неподвижных объектов, одним фотоаппаратом, закрепленным на штативе на специальной струбцине. Современные стереограммы создаются с помощью программного обеспечения на компьютерах из серии снимков или путем обработки фотографии неподвижных объектов.
Огромную коллекцию стереограмм можно найти на сайте http://www.sirds.com/.
 |
|
Анаглифные изображения, получаемые с использованием дополнительных светофильтров
В 1853 году В.Ролман описал способ разделения стереокартинок с помощью цветных фильтров: красных и синих. На рисунке, состоящем из красных и синих областей на черном фоне, красные области исчезают, если смотреть на них сквозь синий светофильтр, а синие — если смотреть сквозь красный. В 1858 году Шарль Д’Альмейда представил свой способ разделения стереоизображений при помощи цветных очков и начал показ анаглифных стереослайдов широкой аудитории, выдавая посетителям стереоочки, сделанные из светофильтров тех же цветов. Способ разделения стереоизображений с помощью светофильтров был окончательно доработан в 1891 году Луи Дюко дю Ороном, который позже, основываясь на этом методе, разработал принципы цветной фотографии (он доказал, что сочетанием трех цветов: красного, желтого и синего — можно получить любой оттенок). Дюко дю Орон дал этому способу формирования стереоизображений название анаглиф, что в переводе с греческого означает «рельефный».
Собственно, для формирования таких изображений нужны любые дополнительные цвета,
которые при умножении дают черный цвет, а при сложении — белый. Дополнительными
цветами являются, например, красный и синий, малиновый и зеленый и др., которые
вы можете получить на экране компьютера, используя функции «Выбор цвета» и «Негатив»
в программах обработки изображения. Сделав негатив какого-либо цвета, вы получите
его дополнение. Умножив эти цвета, вы получите черный, сложив — белый.
Для светофильтров это означает, что сложенные вместе дополнительные светофильтры не пропускают свет и вы ничего сквозь них не увидите. А если спроецировать белый свет сквозь дополнительные светофильтры и совместить полученные цвета на одном и том же участке экрана, то, смешавшись, они снова дадут белый цвет.
Такое стереоизображение легко получить на мониторе — нужно лишь изготовить анаглифные стереоочки. Материалом для них может служить прозрачная пленка для печати на струйном принтере, на которую нанесен желатиновый слой. На ней требуется напечатать равномерные области красного (смешанного в одинаковых пропорциях пурпурного (magenta) и желтого (yellow) красителей) и голубого (cyan) красителей по шаблону будущих очков.
После этого необходимо выбрать на экране два цвета, соответствующие изготовленным дополнительным светофильтрам очков. Цвета нужно подобрать таким образом, чтобы сквозь один светофильтр соответствующий цвет сливался с белым фоном, а сквозь другой — казался черным. Естественно, вы можете получить разные оттенки белого и черного в зависимости от изготовленных очков и настройки вашего монитора, но если у вас возникают трудности с подбором цветов, то можно подкорректировать и белый, и черный цвета. Полученными двумя цветами вы сможете затем «рисовать» рельеф на изображении, смещая их относительно друг друга.
Подобрав цвета и светофильтры, можно создавать объемные изображения, используя как 3D-программы, так и графические пакеты типа Adobe Photoshop и др. Можно также получать объемные изображения реальных объектов, используя снимки, сделанные с разных точек зрения, или преобразовывать плоские фотографии простых объектов в трехмерные.
В 1936 году Луи Люмьер впервые применил анаглифную технологию для показа первого стереофильма. В 1937 году эта технология была приобретена американскими кинокомпаниями M.G.M. и Paramount. В 1977 году был снят последний стереофильм, основанный на этом принципе.
Анаглифные стереофотографии печатаются и по сей день, но и в этой области кое-что изменилось. Ранее не было общего стандарта анаглифных очков: можно было встретить и красно-синие, и красно-зеленые, и оранжево-синие; стереоизображение было лишено цвета. Сейчас существует определенный стандарт, который мы вам и рекомендовали, — красно-голубые очки (red-cyan), так как эти цвета являются дополнительными. Такие очки позволяют увидеть цветное изображение, но с их помощью нельзя передать все цветовые оттенки: не получаются ярко-красные и ярко-синие цвета. Можно передать зелень листвы, золото и серебро ювелирных изделий, оттенки человеческой кожи, но ярко-красные розы получить невозможно. Несмотря на ограниченность в передаче цветов, анаглифные стереофотографии пользуются популярностью. Их можно встретить в журналах, рекламных буклетах и в огромном количестве найти в Интернете.
|
|
Стереовидение с использованием стереоочков на жидких кристаллах
Широкое распространение (особенно в компьютерных играх) получил метод формирования объемного изображения на мониторе компьютера с помощью специальных жидкокристаллических стереоочков (разъемы для подключения таких очков есть на многих видеокартах, а некоторые видеокарты сразу продаются в комплекте с подобными очками). Метод основан на том, что на монитор с большой частотой подаются разные изображения для левого и правого глаза, быстро сменяющие друг друга, а особый затвор в очках делает прозрачным попеременно то левое, то правое стекло. Мы не замечаем этого из-за быстрой смены кадров, но когда на правый и левый глаз подаются соответствующие им изображения, мозг формирует объемную картинку.
Для реализации этого способа стереовидения потребуются стереоочки, 3D-видеокарта с возможностью их подключения, соответствующее программное обеспечение и хороший монитор.
|
|
Метод «параллакса»
Некоторые стереофильмы были созданы с использованием метода «параллакса», который заключается в следующем: мы смотрим на изображение левым глазом без светофильтра, а правым — сквозь плотный светофильтр, в результате чего правый глаз воспринимает изображение позже, чем левый. Таким образом можно увидеть в объеме только движущееся изображение, в котором два соседних кадра представляют собой стереопару.
Подробнее об этой технологии можно прочесть на http://www.mpcdigest.ru/a_mmedia/vr_helm.htm или http://www.shield.ru/rshield/princip.htm.
Быстроменяющиеся картинки — эффектный способ публикации стереоизображений в Интернете
Существует еще один интересный способ, позволяющий получить объемное изображение и опубликовать его на Web-страницах в Интернете. Собственно, суть этого способа описал еще Я.И.Перельман в книге «Занимательная физика» (http://wmiller.hobi.ru/perelman/perelman1-9.htm).
Фотографии для такого стереоизображения готовятся точно так же, как и стереограммы, — это пары, снятые с некоторым смещением. Из такой пары нужно сделать анимированное изображение GIF-формата (например, в программе Adobe Image Ready или Gif Construction). Картинки для левого и правого глаза будут быстро сменять друг друга, и возникнет полная иллюзия объема. Причем рассматривать такое изображение можно будет и одним глазом — эффект основан на том, что при рассматривании предметов наш глаз совершает массу быстрых движений, таким образом, он даже в одиночку добивается объемности и повышает разрешение «отснятого» на сетчатке.
|
|
Магические картинки
Многим известны картинки Magic Eye, то есть стереоскопические изображения, составленные из множества пятен, которые случайному зрителю могут показаться произведениями художника-абстракциониста. Однако на самом деле это чередование предназначенных разным глазам полос, которые при рассматривании накладываются друг на друга. Они состоят не из сплошных цветовых областей, а распадаются на отдельные точки, поэтому не интерферируют друг с другом. Если произвольно сфокусировать взгляд в пространстве «за картинкой» (или свести воедино специальные пометки), то можно «уловить» трехмерное изображение: две «отдельные» полоски накладываются друг на друга и проявляется их различие, формирующее объемное изображение (обратный процесс происходит, когда мы сводим глаза к переносице — раздваивается видимое изображение).
|
|
Растровая стереофотография и вариоизображения
Наверняка вы видели переливающиеся открытки с изображениями подмигивающих японок.
Растровая стереофотография и вариоизображения (фотографии с эффектом смены изображений)
основаны на линзовом растре, или стереорастре, представляющем собой набор тонких
цилиндрических или конических линз. Одна поверхность растра — плоская, и к ней
приклеивается бумага с изображением, а другая представляет собой периодическую
структуру, состоящую из тонких линз. В основе стереоэффекта лежит способность
растра, преломляя световые пучки, отклонять их под разными углами: часть стереоизображения,
расположенная в правом полупериоде растра, отклоняется влево и попадает в левый
глаз человека, левый полупериод изображения отклоняется и попадает в правый
глаз. Такова упрощенная модель работы стереорастра.
Самый простой способ моделирования стереоизображений состоит в том, чтобы разрезать изображение для левого и правого глаза на полосы толщиной полупериода растра и совместить изображения, чередуя полосу левого изображения с полосой правого, как показано на рисунке. На изображение накладывается линзовый растр; при этом следует точно совмещать периоды растра и стереоизображения.
Более сложной и качественной является так называемая интегральная фотография, развивающая технологию растровой. Интегральный фоторастр представляет собой набор микролинз или микрообъективов, собранных подобно фасеточным глазам насекомых. Каждая микролинза формирует на светочувствительной пластинке изображение объекта под определенным углом зрения. Но пока интегральная фотография, по всей видимости, существует только в теории, так как любой однолинзовый объектив дает сильные искажения и хроматические аберрации. Хорошие неискажающие объективы состоят, как правило, из нескольких линз, объединенных в оптические группы. Сложно представить себе интегральный фоторастр, состоящий из огромного количества микрообъективов, являющихся набором нескольких микролинз. Поэтому качественные интегральные фотографии мы увидим еще очень нескоро.
С помощью компьютера процесс получения растровых стереоизображений сильно упрощается, и можно делать стереоизображения не только из реальных объектов, но и из объемных моделей, созданных в 3D-программах.
Компьютерное моделирование и новые технологии печати дают нам большие возможности для изготовления таких изображений, но сегодня, как и много лет назад, получить по этой технологии индивидуальную стереофотографию может далеко не каждый.
Подробнее прочесть об этой технологии можно по адресу http://www.progress. tomsk.ru/vario/ и http://www.stereokino.ru/.
|
|
Голография
Наиболее впечатляющей, но настолько же и сложной технологией создания объемных изображений является голография. Голограмма — это объемное изображение предмета, созданное с помощью когерентного (лазерного) излучения. Собственно, для создания голограммы требуется записать на фоточувствительный слой картину интерференции двух лазерных пучков: первого — опорного пучка, обычно параллельного (коллимированного), и второго — предметного, то есть полученного отражением от объекта.
Голограмма, конечно, наиболее полно передает объемность предмета. Принципы и технологии создания голограмм хорошо известны и подробно описаны, но для этого необходимо соответствующее оборудование, а реализовать эту технологию на компьютере невозможно. Подробнее о голографии можно почитать в Интернете по адресу http://www.holography.ru/ и http://www.media-security.ru/.
Более подробно о способах получения стереоизображений, съемках цифровой камерой без использования специального оборудования и последующей обработке фотографий в графических пакетах читайте в следующих номерах нашего журнала.
