Статья из сайта petrovlam.ru
Автор: Петров В. М.
Введена 07.07.2007
Последнее обновление: Улучшена: 22.10.2009

Часть 1     Стереоскопическое восприятие объектов

 

 

       Аннотация.         В этой части описываются основы физиологического восприятия объёмности наблюдаемых объектов.

 

 

Человеку, как творенью божьему, изначально придано свойство видеть физический мир при помощи взаимосогласованной пары оптических биологических приборов, то бишь – при помощи пары глаз. Следует иметь в виду, что само по себе наличие пары глаз не обязательно обеспечивает возможность объёмного восприятия. К примеру, стрекоза разглядывает мир, используя совершенно другие принципы. В мире земной фауны, похоже, только теплокровные творения получили такую конструкцию глаз, которая позволяет наиболее рационально и эффективно не только видеть окружающий мир в красках, но и точно определять размеры, форму и расстояние до объекта.

Оптическая схема человеческого глаза представлена на рисунке 1-1.

схема устройства глаза

Рис. 1-1 Оптическая схема глаза человека

Обозначения на рис.1-1 (в скобках названы технические аналоги):

1 - зрачок (диафрагма)

2 - хрусталик (объектив)

3 - сетчатка (воспринимающая матрица)

4 - нервный жгут (световолокно)

Задача зрачка – регулировать количество света, попадающего на хрусталик, дабы не сжечь сетчатку при очень ярком освещении, и дать возможность сетчатке хоть что-то увидеть при недостатке света. Регулировка – автоматическая.

Задача хрусталика – сфокусировать изображение наблюдаемого объекта на сетчатку. Фокусировка – автоматическая.

Задача сетчатки – преобразовать воспринимаемый свет в информацию, понятную мозгам. Скорость преобразования значительно уступает быстродействию плохонького компьютерного процессора.

Задача нервного жгута – передать информацию, полученную от сетчатки, в головной мозг для её полезного применения. Скорость передачи информации значительно уступает быстродействию шин плохонького компьютера.

Рисунок 1-2 показывает схему построения на сетчатке глаза изображения от наблюдаемого объекта. Ракурс рассматриваемого объекта специально выбран таким, чтобы некоторый его фрагмент (например, «АБ») точно совпадал с главным лучом зрения. В этом случае вместо двух точек ( «А» и «Б») на сетчатку попадёт изображение только от одной точки («Б»). Аналогичное явление будет наблюдаться и для других фрагментов объекта, если этот фрагмент совпадает с одним из лучей зрения (например, фрагмент «ВГ»). Все остальные точки объекта, не лежащие на одном и том же луче зрения, попадают на сетчатку, не перекрываясь. При такой трактовке теряется понятие прозрачной поверхности, поскольку задняя точка «В» будет видна только в том случае, если отсутствует передняя точка «Г». Иначе говоря, - только тогда, когда поверхность объекта, пересекающая луч «ВГ», окажется прозрачной.

построение изображения на сетчатке

Рис. 1-2 Схема построения изображения на сетчатке глаза

АБ – главный луч зрения

ВГ – один из произвольных лучей зрения

ДЕ - фрагмент объекта, пересекающий любой луч зрения не более одного раза

А’, Б’, В’, Г’, Д’, Е’ – изображения на сетчатке от соответствующих точек объекта

На рисунке 1-3 тот же объект рассматривается обоими глазами.

При таком рассматривании центральные лучи зрения обоих глаз пересекаются в рассматриваемой на данный момент времени конкретной точке объекта (например, на ближней точке «Б»). Угол между этими лучами является углом конвергенции (угол α). При рассматривании других точек объекта угол конвергенции автоматически изменяется. С изменением наблюдаемой точки меняется расстояние от зрачка до точки. Для поддержания на сетчатке резкого изображения точки хрусталик автоматически изменяет свою оптическую силу. С удалением рассматриваемой точки толщина хрусталика уменьшается (увеличивается фокусное расстояние объектива). Одновременно с этим снижается нагрузка на мышцы глаза, управляющие изменением фокусного расстояния хрусталика. Наименьшее напряжение мышцы хрусталика испытывают при взгляде на бесконечно удалённые объекты. В этом случае фокусное расстояние хрусталика оказывается наибольшим. Способность хрусталика поддерживать на сетчатке наилучшую резкость изображения наблюдаемой точки называется аккомодацией глаза.

Глаз непроизвольно (помимо сознания человека) постоянно переходит с одной наблюдаемой точки на другую (сканирует объект). Только что покинутое изображение остаётся в памяти резким ещё некоторое время. Благодаря этому человеку кажется, что он видит резкими одновременно огромное количество точек. Для поддержания такого ощущения необходимо, чтобы каждая точка просматривалась не реже, чем 16 раз в секунду.

построение изображения на обеих сетчатках

Рис. 1-3 Схема построения изображения на сетчатках обоих глаз

АБ – фрагмент объекта, расположенный в плоскости симметрии головы

ВГ – один из произвольных фрагментов объекта

α – угол конвергенции для точки «Б»

А’, Б’, В’, Г’, Д’, Е’ – изображения на правой сетчатке от соответствующих точек объекта

А”, Б”, В”, Г”, Д”, Е” – изображения на левой сетчатке от соответствующих точек объекта

Физиологическая природа человеческого глаза такова, что аккомодация и конвергенция всегда привязаны к одной и той же конкретно рассматриваемой точке. При изменении расстояния до наблюдаемой точки немедленно изменяется фокусное расстояние соответствующего хрусталика.

На рисунке 1-3 видно, что угол конвергенции для точки «А» меньше, чем угол конвергенции для точки «Б». Одновременное воздействие указанных факторов (поворот глазных осей и усилия мышц, воздействующих на хрусталики) вызывает в сознании ощущение, что точка «Б» расположена к наблюдателю ближе, чем точка «А».

По аналогии с этим угол конвергенции точки «В» меньше угла конвергенции точки «Г». Именно эта разница вызывает в сознании наблюдателя однозначное соответствие тому, что точка «В» объекта расположена от глаз дальше, чем точка «Г». Несмотря на то, что при изменении расстояния до наблюдаемой точки изменяется усилие аккомодации, большинство людей не воспринимает разницу в таких усилиях для определения отдалённости точки объекта, хотя многие представители фауны определяют расстояние именно по этому параметру. У человека такое чувство начинает развиваться при потере зрения в одном из глаз. Тем не менее, в рассматриваемых вариантах формирования объёмных изображений такое умение едва ли сможет пригодиться.

По совокупности точек на сетчатках глаз изображение реального объекта, видимое правым глазом (правое изображение), практически всегда отличается от изображения, видимого левым глазом (левое изображение). Комплект из левого и правого изображений составляет стереопару.

Именно на разнице информации в компонентах стереопары основаны принципы построения объёмности при рассматривании плоских изображений. Для практической реализации такого принципа достаточно изготовить любым доступным способом два плоских (двумерных) изображения одного объекта – правое и левое. Затем - разместить эти изображения рядом и обеспечить условие, при котором правый глаз сможет увидеть только правое изображение, а левый глаз – только левое.

Если правое изображение расположить в стереопаре справа, а левое – слева, то полученная пара считается прямой стереопарой (ортопарой). В противном случае – конвергированной стереопарой (конверпарой).

Для наблюдения прямой стереопары достаточно просто просматривать её как бы насквозь (метод – «насквозь»). Через короткое время (в первые разы, с непривычки, на это может потребоваться примерно 15 секунд) между правым и левым изображениями возникнет третье, которое и будет восприниматься как объёмное.

Для начала (при отсутствии какого-либо внешнего разделителя) желательно, чтобы горизонтальный размер каждого компонента прямой стереопары был не более RC наблюдателя (RC – это расстояние между центрами глазных зрачков). Расстояние между серединами компонентов – тоже не более RC. Если же принять во внимание, что между компонентами ортопары весьма полезно предусмотреть пустой промежуток размером хотя бы 4 мм, то горизонтальный размер ортопары не должен превышать величину (2× RC + 4) мм. Большинство взрослых людей ещё в состоянии при таких размерах увидеть восстановленное трёхмерное изображение без применения внешнего разделителя. Вертикальный размер компонента большого значения не имеет. Лишь бы его можно было охватить фиксированным взглядом.

Лично у меня RC = 62мм. Теоретически максимальный горизонтальный размер ортопары, при котором я смогу увидеть восстановленный объём, равен 128 мм. На самом же деле я (считаю себя подготовленным наблюдателем) могу рассматривать ортопары с горизонтальным размером 186 мм. Правда, «раскорячивание» глаз становится довольно ощутимым. Так что «всё в мире относительно».

В качестве примера на рисунке 1-4 показана нарисованная стереопара. Из-за стереотипа человеческого мышления жирная линия в каждом из компонентов этой ортопары (если рассматривать их по отдельности) воспринимается находящейся ближе к наблюдателю, нежели линия тонкая.

Просматривая данную стереопару методом «насквозь» через некоторое время (примерно, 15 секунд), можно увидеть восстановленный трёхмерный объект, в котором жирный отрезок оказывается позади тонкого и оба они будут удаляться от наблюдателя сверху вниз.

пример искусственной стереопары

а) б)

Рис. 1-4 Условная стереопара

а) – левое изображение

б) – правое изображение

Однако для просматривания ортопары лучше использовать какую-нибудь внешнюю перегородку (в качестве разделителя).

Схемы применения разделителя показаны на рисунке 1-5.

Ориентация разделителя может быть как условно продольной (рис. 1-5а), так и условно поперечной (рис. 1-5б).

В качестве разделителя, который не позволит правому глазу видеть левое изображение, а левому глазу – правое, можно использовать лист картона.

варианты применения разделителей

Рис. 1-5 Схемы применения разделителя

Л – левое изображение

П – правое изображение

Р - разделитель

а) – вариант продольного разделения

б) – вариант поперечного разделения

RC – расстояние между серединами компонентов стереопары

Пунктирными линиями обозначены варианты предельного положения разделителя

В папке «ПРИЛОЖЕНИЯ» на фотографиях от №1 до №5 представлены ортопары. К сожалению, для прямого их просмотра (без стереонокля) требуется, чтобы в компьютере имелась какая-либо программа, позволяющая изменять размер графического изображения. Для прямого просмотра горизонтальный размер стереопары на экране компьютера не должен превышать 130 мм. Лучше несколько меньше этого.

Использование даже простейшего разделителя (листик картона) позволяет «отрезать» от восстановленного изображения «лишние» левое и правое изображения.

Для просмотра крупноразмерных прямых стереопар (с горизонтальным размером более, чем (2× RC + 4) мм, потребуется стереонокль (по аналогии с терминами «бинокль» и «монокль»). Один из возможных вариантов стереонокля показан на рисунке 1-6. За основу принята схема наземного зеркального стереоскопического перископа, плечи которого развёрнуты в горизонтальную плоскость. Межзрачковое расстояние объектива стереонокля равно ожидаемому максимальному размеру компонента стереопары и в принципе может быть регулируемым. Межзрачковое расстояние окуляра охватывает диапазон от 50 до 80 мм и в принципе тоже может быть регулируемым.

Для рассматривания восстановленного трёхмерного изображения наблюдатель с приставленным к глазам стереоноклем находит такое расстояние до стереопары, когда правый объектив будет «видеть» только правое (по расположению) изображение, а левый глаз – только левое (по расположению).

Далее всё идёт отработанным путём: Начинающему наблюдателю потребуется некоторое время на адаптацию. Со временем переключение зрения с плоского изображения на восстановленное трёхмерное осуществляется сразу и без трудностей.

Фотографии от №1 до №5, представленные в папке Приложений, через стереонокль можно рассматривать без всяких проблем, связанных с размерами стереопар. Любой просмотрщик графической информации (например, программа просмотра изображений и факсов, имеющаяся в Word) развернёт стереопару на полный экранный размер (по горизонтали). Именно под размер конкретного экрана и должен изготавливаться стереонокль.

Условным недостатком рассмотренного стереонокля можно считать снижение качества наблюдаемого изображения, возникающее из-за двойного отражения лучей в каждом из двух зеркал каждого канала («левого» и «правого»). Поэтому зеркала с задним напылением должны иметь минимально возможную толщину стекла (к примеру, 0,2 мм). Но, если вместо зеркал заднего напыления использовать зеркала с наружным покрытием, а лучше вообще заменить зеркальную систему на призмы полного внутреннего отражения, то названный недостаток будет устранён. Впрочем, платой за выигрыш будет повышение стоимости изготовления и повышенная масса.

эскиз стереонокля

Рис. 1-6 Стереонокль

Стереопара, в которой правый компонент расположен по отношению к наблюдателю левее левого компонента, называется в дальнейшем конвергированной парой (конверпарой). Но это уже тема второй части.

]]>

Просмотров: 5370

Комментарии к статье:


Ваще сообщение:
 

 

Добавить комментарий

[B] [I] [u] [S] [2] [2]       [TAB] [∑] [∓] [≈] [≠] [≤] [≥] [π] [×] [√]       [RED] [GRE] [BLU]

[α] [β] [Γ] [γ] [Σ] [σ] [Δ] [δ] [Ω] [ω] [μ] [Λ] [λ]