Третье измерение фотографии, Часть 1
Чуть более полутора веков уже прошло с тех пор, как в 1851 году на Всемирной выставке в Лондоне были продемонстрированны первые стереоскопические фотографии. Долгие годы после этого стереофотография переживала бурный рост, изобретались новые средства стереофотосъёмки и демонстрации. В «новом» и «старом» свете получили распространение аттракционы, в которых посетителям демонстрировали стереоскопические снимки далёких стран и исторических событий. Со временем интерес к стереофотографии ослаб, на смену ей пришли новые увлечения, такие как кинематограф. Однако с развитием новых технологий мы становимся свидетелями роста интереса к этому «старинному» виду изобразительного искусства. Применение компьюторной техники и новых способов просмотра значительно упрощают процесс создания стереоизображений, что снова делает стереофотографию популярной. Этой статьёй мы открываем цикл публикаций, в которых кратко рассмотрим механизм построения стереоскопического изображения и некоторые методы его получения.
Термины
Аккомодация — это изменение кривизны хрусталика глаза, позволяющее сфокусировать на сетчатке глаза изображения предметов, удаленных от наблюдателя на разные расстояния.
Базис стереосъемки (стереобазис) — расстояние между точками съемки левого и правого кадра.
Дополнительные цвета — два цвета, которые при смешении образуют белый цвет, например: синий — желтый, голубой — красный, сине-фиолетовый — желто-зеленый.
Стереопара — два изображения одной и той же сцены (объекта), снятые двумя идентичными фотокамерами с двух различных точек, разнесенных горизонтально на некоторое расстояние (базис стереосъемки).
Объект нулевого параллакса (точка нулевого параллакса) — объект композиции, не имеющий параллакса (двоения) — при просмотре будет казаться распложенным в плоскости носителя стереофотографии. Остальные элементы сцены будут либо выдвинутыми вперед, и как бы висящими в воздухе (объекты переднего плана), либо «утопленными» вглубь изображения (объекты заднего плана).
Параллакс — смещение рассматриваемого объекта, вызванное изменением точки наблюдения.
Конвергенция — сведение зрительных осей при взгляде на близко расположенные объекты.
Физические основы стереоскопического зрения
Рис. 1. Параллакс: каждый глаз видит предмет по-своему
Глаз человека способен воспринимать свет — одну из форм электромагнитной энергии, характеризующейся длиной волны. Волны диапазона примерно от 300 до 800 нанометров воспринимаются человеком как яркостные и цветовые ощущения. Предметы окружающего мира обладают способностью отражать (а в некоторых случаях и излучать) свет, благодаря этому они видимы для человека.
Получить представление о пространственности окружающего мира человеку позволяют ряд явлений: геометрическая и воздушная перспектива, тени и блики на поверхностях объектов, относительные размеры объектов. Изобразительные приемы, моделирующие эти явления, используются художниками с давних пор для передачи объемности трехмерных предметов, нарисованных на плоскости.
Еще один фактор, который позволяет нам судить о расположении объектов в пространстве — это их относительное перемещение при изменении точки наблюдения (ближние объекты перемещаются на фоне дальних). Это обстоятельство помогает оценить удаленность объектов при просмотре кино или наблюдении пейзажа из окна поезда. Человек, опираясь на свой жизненный опыт, интерпретирует перечисленные явления, как свидетельства трехмерности пространства при наблюдении реальных объектов и при просмотре рисунков, фотографий или кино. Причем, эффект не зависит от того, одним глазом мы смотрим или двумя.
При наблюдении объектов реального мира играет роль еще один механизм человеческого зрения, называемый аккомодацией. Мозг человека оценивает величину усилий, прилагаемых для фокусировки глаза, и это позволяет получить дополнительные сведения о расположении объектов в пространстве.
Природа наделила человека и более точным измерительным устройством — бинокулярным зрением — парой глаз, расположенных параллельно, на расстоянии 60-70 мм. За счет этого человек видит мир одновременно с двух точек зрения. В результате изображения, получаемые левым и правым глазом, слегка отличаются. Эти два изображения принято называть стереопарой. Анализируя различия между изображениями стереопары, мозг человека получает информацию об объеме и удаленности наблюдаемых объектов.
Перспективное (кажущееся) смещение рассматриваемого объекта, вызванное изменением точки наблюдения, называется параллаксом и является главным фактором в восприятии трехмерности мира (Рис. 1).
При оценке расстояний важную роль играет механизм стереоскопического зрения, называемый конвергенцией или дивергенцией (в зависимости от направленности действия).
Рис. 2. Конвергенция
Конвергенцией называется сведение зрительных осей при взгляде на близко расположенные объекты. Дивергенция (разведение зрительных осей) происходит при взгляде вдаль. При этом объекты, находящиеся на пересечении оптических осей выглядят четкими, а объекты, расположенные дальше или ближе, двоятся. Это двоение легко увидеть, если внимательно посмотреть на объект, расположенный на расстоянии вытянутой руки от глаз (например, на свой палец), и обратить внимание на то, как при этом выглядят более удаленные предметы. Обычно же мы не замечаем двоение, но оно обрабатывается мозгом и помогает судить об удаленности предметов. Кроме того, мозг учитывает и угол схождения зрительных осей (Рис. 2). На рисунке а) при концентрации внимания на ближних объектах (синяя пирамидка) дальние объекты двоятся; на рисунке б) внимание сосредоточено на дальних объектах (желтая пирамидка), происходит двоение ближних объектов, при этом угол схождения оптических осей ф1 больше чем ф2.
Именно этот механизм человеческого зрения задействуется в большинстве способов воспроизведения стереоскопических (объемных) изображений.
Методы стереофотосъемки
В основе всех методов, которые будут описаны далее, лежит принцип раздельного просмотра — левому глазу человека демонстрируется левое изображение стереопары, а правому — правое. Различия же методов заключаются в том, каким образом достигается сепарация (разделение) изображений стереопары. Таким образом, для изготовления стереофотографии требуется наличие стереопары. Обычно стереопару получают путем фотосъемки одного и того же объекта с двух точек, по своему положению имитирующих положение глаз человека. Расстояние между точками съемки левого и правого кадра называется базисом стереосъемки или просто стереобазисом.
Величина стереобазиса играет определяющую роль при создании стереофотографии. Для стереосъемки сцен удаленных до 3-5 метров вполне достаточно использовать базис равный 65-70 мм, то есть примерно равный расстоянию между глазами человека. При увеличении расстояния до фотографируемых объектов для того, чтобы получить хороший стереоэффект требуется увеличить и базис стереосъемки. Примерно рассчитать базис стереосъемки можно по следующей формуле:
B=0.03*D,
где B — базис стереосъемки, D — расстояние до ближайшего объекта фотографируемой сцены.
Коэффициент 0.03 обусловлен углом схождения зрительных осей (примерно 1-2°), который обеспечивает оптимальные условия для наблюдения стереоэффекта.
Существуют также более сложные модели расчета стереобазиса, учитывающие взаимное расположение объектов сцены, параметры фотоаппарата и планируемые условия просмотра готовой стереофотографии.
Стереосъемку можно выполнять двумя способами: параллельным и направленным. При параллельном способе направление оптической оси объектива камеры не меняется (Рис. 3, левый рисунок), а при направленном камера поворачивается таким образом, чтобы оптическая ось объектива была всегда направлена на центральный объект фотографируемой сцены (Рис. 3, правый рисунок). Направленный способ моделирует конвергенцию глаз человека.
Рис. 3. Параллельный и направленный методы стереосъемки
Достоинство параллельного способа в простоте — не надо поворачивать камеру, недостаток — требуется дополнительная обработка фотографий — компенсационный сдвиг. Компенсационный сдвиг заключается в относительном смещении фотографий стереопары таким образом, чтобы добиться нулевого параллакса (отсутствия двоения) на одном из объектов композиции (объект нулевого параллакса). Этот процесс моделирует конвергенцию глаз уже после съемки стереопары. Объекты с нулевым параллаксом при просмотре стереоизображения будут восприниматься удаленными на расстояние носителя картинки; объекты, расположенные в реальном мире ближе к фотографу — будут иметь отрицательный параллакс и казаться зрителю выступающими вперед; объекты, расположенные в реальном мире дальше объекта, по которому выполнено совмещение, будут иметь положительный параллакс и восприниматься углубленными в картинку (см. также п. 5.5). На Рис 3, а показан компенсационный сдвиг (где ∆Х — расстояние компенсационного сдвига), при котором совмещение стереопары выполнено по синей пирамидке — этот объект имеет нулевой параллакс.
После выполнения сдвига горизонтальный размер изображений уменьшается — стереопарой будут являться лишь части изображений, попавшие в зону пересечения (наложения) исходных картинок. В принципе, можно не выполнять компенсационный сдвиг, тогда все объекты фотографируемой сцены будут иметь отрицательный параллакс, и казаться выступающими вперед относительно поверхности, на которую нанесено изображение. Лишь «бесконечно удаленные» объекты, в этом случае, будут иметь нулевой параллакс.
При съемке направленным способом все наоборот: усложняется процесс фотографирования (надо поворачивать камеру), но зато полученные изображения уже являются стереопарой и, если съемка была произведена без погрешностей, то дополнительной обработки может и не потребоваться.
Направленный метод съемки в некоторых случаях позволяет получить стереоизображение, более точно воспроизводящее естественные условия наблюдения. Однако сложность такого метода заключается еще и в том, что при большой глубине сцены, параллакс объектов дальнего плана может получиться слишком большим. Это может нарушить комфортность просмотра стереоизображения. К недостаткам направленного метода также относится возможность возникновение разноракурсных аффинных искажений, что при просмотре может внести диссонанс. Поэтому этот метод применяется при съемке в специально созданных условиях.
Благодаря простоте и стабильности результатов, чаще используется параллельный метод съемки. Выполнение же компенсационного сдвига при компьютерной обработке изображений не является сложной задачей.
Техника для стереофотосъемки
Рис. 4. Фотоаппараты для стереосъемки (фото с сайта www.photodome.ru)
Для стереофотосъемки существуют специальные двухобъективные камеры (Рис. 4, слева) и стереонасадки на объектив для обычных фотоаппаратов (Рис. 4, справа). Достоинство таких устройств в том, что они позволяют получить сразу готовую стереопару изображений и могут быть использованы для съемки движущихся объектов.
Рис. 5. Стереосъемка с использованием штативной насадки
Стереосъемка может быть выполнена и обычным фотоаппаратом. Причем, этот метод имеет свое преимущество — можно легко выбирать размер стереобазиса. Для удобства съемки в этом случае используется специальный штатив (штативная насадка), задача которого — обеспечить возможность передвижения камеры по горизонтали (Рис. 5).
Однако преимущество, как это часто бывает, сопровождается недостатком: необходимость перемещать камеру в процессе съемки затрудняет фотографирование подвижных объектов — за время, требуемое для перемещения камеры, сцена изменится, в результате стереопары не получится.
Рис. 6. Система для стереосъемки из двух камер (фото с сайта www.crystalcanyons.net)
Скорость съемки и гибкость в выборе стереобазиса могут быть воплощены в системе из двух и более камер, закрепленных на одной шине и имеющих синхронный спуск (Рис. 6). Недостаток такой системы в сложности настройки: объективы камер должны иметь одинаковые характеристики, согласованное направление и настройку. Кроме того, цена такой системы возрастает.
Рис. 7. Фотоаппарат для многоракурсной съемки (фото с сайта www.3-dimages.com/)
Для получения стереофотографий с эффектом оглядывания применяется многоракурсная съемка. В этом случае производят съемку не только в крайних точках стереобазиса, но также и между ними — обычно от 6 до 12 снимков. В результате получается целый ряд стереопар, позволяющий при последовательном просмотре как бы заглянуть за объекты переднего плана. Выполнить такого рода съемку можно обычным однообъективным фотоаппаратом с помощью штативной насадки (Рис. 5).
Существуют также специальные камеры, способные изготовить ряд стереопар за одно мгновение, что дает возможность фотографировать движущиеся объекты (Рис. 7).
