Статья из сайта petrovlam.ru
Автор: Петров В. М.
Введена
Последнее обновление: Улучшена 24.10.2009

Часть 3    Варианты разделения стереокомпонентов

 

 

       Аннотация.         В этой части рассматриваются способы размещения стереокомпонентов и варианты устройств для рассматривания объёмных изображений, формирующихся в зависимости от принятого способа.

 

В предыдущих частях было описано последовательное размещение компонентов стереопары (одно изображение расположено левее другого).

К преимуществам такого взаиморасположения с моей точки зрения относятся:

- простота организации исходной картинки

- сравнительная простота способов и устройств для рассматривания сформированного объёмного объекта

- в формирующийся объёмный объект переходит полная информация о цвете и количестве точек, имеющаяся в исходных изображениях.

ПРИМЕЧАНИЕ

В данном случае речь идёт не столько о соответствии восстановленного трёхмерного изображения реальному объекту, сколько о полноте передачи в него информации, зафиксированной в компонентах стереопары.

К недостаткам последовательного взаиморасположения можно отнести:

- Увеличенную площадь, занимаемую компонентами. А так как размеры места, где можно разместить стереокомпоненты, как правило, почему-то ограничены (например, экран ноутбука), то размер каждого компонента не удаётся выполнить длиннее половины горизонтального размера экрана (а в действительности – ещё меньше). Уменьшение размеров изображения в два раза влечёт за собой уменьшение их площади – в четыре раза. А это означает, что количество элементов, переходящих от каждого исходного компонента стереопары в объёмное изображение, тоже уменьшается в четыре раза. Таким образом, третье преимущество (полнота информации, передаваемая от каждого компонента) становится сомнительным. В лучшем случае информация в компонентах может быть уменьшена не в 4 раза, а только в 2 раза. Для этого требуется, чтобы вертикальный размер компонента по количеству пикселов точно совпадал с вертикальным размером (по количеству пикселов) с исходным кадром. Хотя названное условия является скорее гипотетическим, нежели реально возможным. Для 8-мегапиксельной фотокамеры с вертикальной ориентацией кадра количество пикселов по вертикали будет составлять 3264 (по горизонтали – 2448). Для полной передачи такой информации экран ноутбука должен иметь разрешение 5000 × 3600. Так вот такие ноутбуки пока не производятся. Если же говорить о горизонтальной ориентации исходных компонентов, то для полной передачи информации, имеющейся в 8-мегапиксельной фотоматрице, от экрана ноутбука потребовалось бы разрешение уже 6600 × 3600.

- Большой горизонтальный размер стереопары (пусть стереопара находится не на экране ноутбука, а на стене) вынуждает наблюдателя отойти от неё подальше из-за ограниченного угла комфортного зрения (» 32°). Пусть горизонтальный размер стереопары равен 600 мм (две горизонтальные форматки А4). При таких параметрах расстояние для комфортного зрения составляет 1 метр . Угловое разрешение среднестатистического человека соответствует » 1 минуте. Минимальная различаемая точка с расстояния 1 метр имеет размер » 290 мкм. Изображение размером в 3264 информационные точки (горизонтальные пикселы на 8-мегапиксельной фотоматрице) на горизонтальном размере форматки А4 ( 297 мм ) сформируется из точек с шагом 90 мкм (сравнить с 290 мкм). А из этого следует, что наблюдатель с расстояния 1 метр физически не может различать все пикселы на компонентах стереопары. Иногда стереопара выполняется в виде стереопанно. В таких случаях возникает желание рассмотреть картинку поближе (с расстояния » 25 см ). Минимальный размер точки, которую различает человек на такой дистанции, равен » 73 мкм. Поэтому для получения хороших результатов на форматах А4 вполне оправдано фотографирование камерой с разрешением не ниже 8-ми мегапикселов. Даже если три четверти элементов изображения не будут использованы в случае размещении стереокомпонентов на экран ноутбука.

Для расстояния 45см, с которого обычно рассматривается изображение на экране ноутбука, размер минимального элемента, видимого человеком, составляет » 0.13 мм . Расстояние между точками жидкокристаллического экрана составляет примерно 0.24 мм , то есть, практически, в два раза больше минимального, различаемого человеком. Именно по этой причине изображения на жидкокристаллических экранах воспринимаются человеком, как растровые (состоящие из точек). Если экран ноутбука имеет разрешение 1024 × 768, то разумный размер компонента можно выполнять максимально в границах 512 × 700 (» 0,4 мегапикселей). Ноутбуки с разрешением 1600х1050 пока ещё считаются редкостью. Но и в этом случае размер компонента можно выполнить в максимальных границах 800х950 ((» 0,8 мегапикселов). Таким образом, фотоаппарат с матрицей в 1 мегапиксел в состоянии полностью решить задачу построения стереокомпонентов, предназначенных для рассматривания их на экране ноутбука. При этом практически не будет потерянных элементов изображений. От матрицы с числом пикселей больше, чем 0.8 мегапикселов, уже нет никакой пользы, если фотоаппарат предназначен для получения именно крупноформатных последовательно расположенных стереопар.

Одной из альтернатив последовательному размещению стереокомпонентов является их размещение друг на друга. Однако, независимо от способа взаиморасположения, в любом варианте формирование объёмного изображения возможно только в том случае, если правый глаз видит только правый компонент, а левый глаз – только левый. Осуществить такое разделение при наложении компонентов друг на друга достаточно проблематично, ибо компонент, наложенный сверху, должен быть, с одной стороны, прозрачным для компонента, лежащего под ним, и одновременно с этим, с другой стороны, верхний компонент (будем считать его для определённости правым) должен быть абсолютно невидимым для левого глаза. Противоречие в его полном объёме не преодолеваемо. Частично (как один из способов) задача решается разделением цветового диапазона на две зоны (анаглифный метод). Наблюдать восстановленное объёмное изображение приходится через двухцветные очки. Один фильтр (допустим, левый) пропускает частотную полосу, например, от тёмно красного до жёлтого цвета, другой фильтр (тогда уже правый) – от жёлтого до тёмно синего. Соответственно этому разделению и сами изображения не должны содержать в себе «запрещённого» цветового диапазона. Наблюдаемое трёхмерное изображение можно отнести к условно цветным, хотя оно явно не полноцветное.

Другая альтернатива – это использование разнонаправленной поляризации стереокомпонентов. Например, левое изображение имеет вертикальную поляризацию, а правое – горизонтальную. Тогда и очки наблюдателя должны содержать два фильтра. В нашем случае – перед левым глазом должен быть фильтр, пропускающий вертикальную поляризацию, а перед правым - пропускающий горизонтальную поляризацию. В таком варианте изображение получается действительно полноцветным и полноинформативным (полное использование габаритных размеров экрана ноутбука).

Одно «Но!».

Как простому обывателю обеспечить поляризацию изображений и очков?

Третья альтернатива – размещать компоненты стереопары на одной и той же площадке, но по очереди. Синхронно с переключением изображений следует переключать прозрачность фильтров на очках. Задача, в принципе, решаема, но в домашних условиях, пожалуй, не каждому желающему это решение будет «по плечу»! Что же касается полноценности наблюдаемого восстановленного изображения, то в этом варианте оно действительно будет без потерь, если выполнить переключения с частой более 20 Гц.

ПРИМЕЧАНИЕ

- Механическое переключение прозрачности каналов (например, по аналогии с диском Нипкова) не даёт положительного результата из-за невозможности синхронизировать скорость вращения диска с непостоянной частотой переключения изображений на экране компьютера. А скорость такого переключения непостоянна по определению, так как процессор одновременно с обработкой команд по управлению изображениями выполняет множество других задач.

- Можно изготовить самостоятельное устройство для целевого просматривания стереопар из чередующихся компонентов. В этом случае синхронизация будет легко осуществима. Но перед глазами придётся-таки держать вращающийся диск с щелями, или какое-нибудь другое разделяющее устройство.

Поэтому в настоящее время чаще всего стереокомпоненты, наложенные друг на друга, на самом деле выполняются вшихтованными друг в друга. Это означает, что каждый из компонентов стереопары разбивается на вертикальные полосы. Затем из левого компонента вырезаются, например, чётные полосы, и такая решётка накладывается на правый кадр. Один компонент оказывается, как бы, вшихтованным в другой.

Далее – неизбежно применение какого-нибудь разделителя, обеспечивающего возможность левым глазом видеть только левое изображение, а правым, соответственно, - только правое. Варианты такого разделения могут быть различными. Но для любого из вариантов следует иметь в виду, что половина информативности каждого компонента вырезана уже изначально.

На рисунке 3-1 показан один из вариантов вшихтованного совмещения компонентов на одной и той же площади – «гармошечный».

Рис. 3-1 Вариант размещения стереокомпонентов на «гармошке»

Л – точка для рассматривания левого компонента

П – точка для рассматривания правого компонента

Г – «гармошка»

АБ – выделенная часть исходного компонента (как для правого, так и для левого)

АВ – боковая поверхность выступа для размещения на ней части, соответствующей отрезку АБ для левого компонента

БВ - боковая поверхность выступа для размещения на ней части, соответствующей отрезку АБ для правого компонента

АД – база условного расположения обоих стереокомпонентов (правый и левый компоненты занимают одно и то же место)

На одну сторону каждого выступа (левую) нанесена полоска от левого стереокомпонента. На другую сторону этого же выступа нанесена полоска, принадлежащая правому компоненту. Поскольку боковая поверхность выступа сильно отклонена от плоскости основания всех выступов, изображения, наносимые на боковые поверхности выступов, должны соответствующим образом быть растянутыми. Ведь участок АБ левого компонента следует разместить на весь размер АВ, а тот же участок АБ для правого компонента растянуть до размера БВ.

В связи с тем, что размеры боковых поверхностей каждого выступа отличаются друг от друга, степень трансформации для каждой полоски приходится выполнять отличной от других.

Теоретически каждый из компонентов в этом варианте получается слитным (это означает, что отсутствуют потери изобразительных элементов, содержащихся в исходной картинке) и хорошо отделённым от соседа (это означает, что каждый глаз видит только своё изображение).

На самом же деле следует учитывать, что зрачок глаза не является точечным. А значит, в зрачок попадают лучи, исходящие от «нежелательных» мест наблюдаемых стереокомпонентов (см. рисунок 3-2). Для упрощения рисунка рассмотрены помехи только для правого глаза (заштрихованные зоны).

На рисунке зрачок глаза изображается серой окружностью. В правом зрачке условно выделены три точки: зелёный цвет – слева от середины, серый цвет – серединная, синий цвет – справа от середины.

Зелёным цветом отмечены сектора видимости «нежелательных» зон, видимых левой точкой. Синим цветом – сектора, ограничивающие видимый размер «желательной» зоны.

Кроме этих «неприятностей», описанная технология требует очень жёсткой привязки позиции глаз наблюдателя относительно рассматриваемой «гармошки» и наличия устройства, регулирующего размер «гармошки» под RC конкретного наблюдателя.

По этим причинам едва ли будет целесообразным применять на практике рассмотренный вариант.

Рис. 3-2 Реальная картина при рассматривании «гармошечных» стереосборок

Л – левый глаз

П – правый глаз

Вариант формирования объёмного изображения из вшихтованных стереокомпонентов представлен на рисунке 3-3. Здесь каждый из компонентов предварительно разделяется на вертикальные полоски одинаковой ширины. Затем из левого компонента изымается каждая чётная (или нечётная) полоска. Полученная таким способом решётка наносится на другой (правый) компонент. Суммарное изображение воспринимается как некая смесь, в которой чаще всего мало чего можно разобрать.

На рисунке, для определённости, правый компонент представлен жирным пунктиром. Левый компонент представлен, соответственно, тонким.

Для того чтобы правый компонент можно было рассматривать только правым глазом, а левый компонент – только левым, между суммарным полуфабрикатом (стереосборкой) и глазами наблюдателя устанавливается сепаратор (апертурная решётка).

ПРИМЕЧАНИЕ

В некоторых источниках «метод с апертурной решёткой» почему-то (вероятнее всего – от невежества) обозначают бессмысленным термином «барьер параллакса».

Рис. 3-3 Применение сепаратора

ИСП – исходная стереопара (стереосборка)

С – сепаратор

Л – левый глаз

П – правый глаз

Действие сепаратора заключается в том, что правый глаз может видеть через щели сепаратора только те полосы стереосборки, которые относятся к правому компоненту. В это же время левый глаз может видеть через те же щели только такие полоски, которые относятся к левому компоненту. Разумеется, как правое, так и левое изображения, будут при этом восприниматься полосатыми с потерей половины элементов исходного изображения. Шаг полосатости составляет »0,48 мм для экрана с шагом между пикселами »0,24 мм. Но здесь следует напомнить, что в случае последовательного расположения стереокомпонентов теряется не половина, а три четверти элементов изображения (применительно к использованию экрана ноутбука в качестве носителя исходных компонентов). Правда, шаг полосатости в таком варианте будет составлять только »0,24мм (параметр экрана ноутбука).

Впрочем, полезно учесть, что ощущение полосатости »0,48 мм несколько сглаживается тем, что внутри полос каждого компонента вшихтованы полосы смежного компонента.

Расстояние между стереосборкой и сепаратором зависит от шага сепаратора, от размера межзрачкового расстояния наблюдателя (RC) и от расстояния между наблюдателем и стереосборкой. В общем случае поиск положения для комфортного наблюдения объёмного изображения едва ли можно считать лёгким.

Смещение наблюдателя в сторону, для определённости, таким образом, что правый глаз попадает на позицию левого глаза, тоже приведёт к чёткому разделению компонент, но правый глаз в этом случае будет наблюдать левый компонент, а левый глаз – наоборот, правый. Сформированное в этом случае объёмное изображение станет псевдоскопическим.

Смещение ещё на один шаг снова приведёт к наблюдению ортоскопического изображения.

Для наблюдателей с различными величинами RC получение результата, одинаково приличного для всех, вообще становится проблематичным.

В варианте на рисунке 3-4 сепаратор располагается непосредственно перед глазами наблюдателя. Сам сепаратор состоит из двух взаимно подвижных частей. Для наблюдателя с малымRC половинки можно сблизить. Для наблюдателя с большим RC половинки можно раздвинуть. В итоге существенно упрощается поиск позиции для комфортного наблюдения объёмного изображения.

Рис. 3-4 Применение раздвижного сепаратора

ИСП – исходная стереопара (стереосборка)

С – сепаратор

Л – левый глаз

П – правый глаз

Рассмотренные варианты применения сепараторов удачно решают задачу разделения компонентов стереосборки. Однако в рассуждениях не рассматривалось влияние размера зрачка глаза на результат, получаемый от восприятия восстановленного трёхмерного изображения. По варианту рисунка 3-4 даже нет необходимости производить расчёты, чтобы осознать их малую пригодность для практического использования. Любой зрачок диаметром больше нуля немедленно исключает возможность полноценного разделения! Да и положение сепаратора относительно стереосборки оказывется недопустимо удалённым.

По варианту на рисунке 3-3 можно существенно уменьшить влияние размера глазного зрачка простым уменьшением ширины щелей в сепараторе.

Что же касается зависимости восприятия от межзрачкового расстояния, то и здесь имеются несколько пригодных вариантов.

«Лобовой путь» - это применить компенсатор базы зрения, т. е. дополнительное «приглазное» устройства типа стереонокля (см. рисунок 1-6 в Части 1). В отличие от стереонокля это устройство, во-первых, по каждому каналу «видит» весь экран; во-вторых, имеет стабильную базу зрения (например, 200 мм ) со стороны объектива, и, в-третьих, имеет регулируемое межзрачковое расстояние со стороны окуляра.

Другой вариант – «подвижный сепаратор».

В таблице 3-1 приведены результаты расчётов, показывающие зависимость требуемого расстояния от сепаратора до экрана и требуемого шага сепаратора от размера межзрачкового расстояния наблюдателя. Расчёты производились для экрана с шагом z = 304/1400 = 0.2171 мм при расстоянии для просмотра L = 500 мм .

Таблица 3-1

Обозначения в таблице:

B - межзрачковое расстояние

s - расстояние от решётки до экрана

t - требуемый шаг решётки

Из таблицы видно, что размер требуемого шага сепаратора практически не зависит от межзрачкового расстояния наблюдателя. Приняв во внимание, что обыватель сможет изготовить сепаратор с шагом не точнее 1 мкм, разницей в расчётных величинах шага можно пренебречь и принять среднедиапазонное значение шага сепаратора t = 0.433 мм.

Регулятор зазора между сепаратором и экраном должен обеспечить значение от 2,71 до 1,21 мм. Способ, позволяющий выполнить регулировку в таком диапазоне, можно выбрать любой.

Самым простым вариантом мне представляются сменные прокладки. Скажем, для RC = 40 ¸ 50 мм можно иметь s = 2,4 мм. Для RC = 55 ¸ 65 мм ® s = 1,8 мм. Для RC = 70 ¸ 80 мм ® s = 1,45 мм.

Более удобными, возможно, будут винтовые упоры по углам экрана.

А вообще-то эксперименты показывают, что все эти прибамбасы совсем не обязательны. Всё получается отлично и без них.

Теоретически, позиция наблюдателя при рассматривании восстановленного трёхмерного изображения должна быть стабильной как между чередующимися изображениями, так и внутри одного изображения. В реальной же практике небольшая подвижность наблюдателя «вправо-влево-вперёд-назад» оказывается даже очень полезной. С одной стороны, такие перемещения создают ощущение «живости», а с другой стороны, благодаря им, удаётся уверенно просмотреть другие части одного и того же восстановленного изображения, которые (из-за несовершенства изготовленнго сепаратора и из-за неточной его ориентации относительно пиксельного растра) воспринимаются в исходной позиции несколько размытыми.

ПРИМЕЧАНИЕ

В последующих частях будут рассмотрены устройства для наблюдения объёмных изображений с применением зеркал и линзовых растров.


Просмотров: 3031

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]