Стереопсис. Среоскопический эффект. Зоны стереопсиса

Стереопсис — сенсорный процесс, возникающий при биноку­лярном зрении как психофизическая реакция на сетчаточную гори­зонтальную диспаратность. В результате стереопсиса субъект пере­живает специфическое ощущение глубины. Иногда в понятие «сте­реопсиса» включают и сам результат — особое, несводимое к моно­кулярным ощущениям впечатление пространственности. Стерео­псис обеспечивает восприятие относительной удаленности, т. е. уда­ленности объекта относительно ядерной плоскости — фронтальной плоскости, проходящей через точку бинокулярной фиксации пересе­чения главных зрительных осей. Стимулом для стереопсиса являет­ся относительная диспаратность. В первом приближении зависи­мость между видимой относительной удаленностью (глубиной) и величиной относительной диспаратности выражается след, образом: чем больше диспаратность, тем больше видимая глубина при про­чих равных условиях. Для осуществления стереопсиса не требуется наличия каких-либо монокулярных зрительных признаков. Так, в опытах американского исследователя Б. Юлеша использовались случайно-точечные стереограммы, которые при монокулярном рас­сматривании выглядели хаотическим нагромождением точек. Тем не менее, при стереоскопическом рассматривании эти стереограммы создавали впечатление глубины. Изучение стереопсиса ведется в ла­бораторных условиях и, как правило, с помощью специального при­бора — стереоскопа.

Стереоскоп - бинокулярный оптический прибор для раздельного наблюдения каждым глазом своего изображения стереопары, по­зволяющий оптически совместить два изображения и сформировать при их рассматривании единый стереоскопический образ. В зави­симости от конструкции различают стереоскопы щелевые, линзовые, призменные, зеркальные, комбинированные. В процессе производ­ства стереофильмов иногда применяется призменный вариант сте­реоскопа в виде стереоочкое. Первый стереоскоп предложен Ч.Уитстоном в 1832 г.

В 1838 году сэр Чарльз Ветстоун изобрёл стереоскоп. И хотя уже древние греки имели некоторые знания о стереографии (Евклид в своём трактате «Оптика» изучал восприятие человеком расстояния и особенности зрения, связанные с взглядом на объект двумя глазами), это событие практически совпало по времени с изобретением фото­графии (1839 г.), что очень повлияло на поднятие интереса к стерео­графии. Это позволило использовать в стереоскопе фотографии вме­сто нарисованных от руки картинок, в результате полученные сте­реоизображения стали удивительно реалистичными, чёткими и на­делёнными глубиной. (Здесь следует заметить, что когда речь идёт о стереоизображениях, то в их отношении часто используется термин глубина - как третье измерение наряду с шириной и высотой, а воз­можно и по аналогии с поверхностью воды и видимыми сквозь неё предметами). Стереограммы оказались так популярны, что было на­лажено их коммерческое производство, а в 1850 году было основано Лондонское общество стереографии (London Stereoscopic Society). Даже в наши дни сохраняется некоторый интерес к трёхмерным фо­тографиям.

Во все времена художники и учёные пытались изобрести ме­тоды для создания изображений, воссоздающих на плоскости три измерения пространства, в котором мы живём. Для представления предметов и жизненных ситуаций люди использовали и другие фор­мы, такие как скульптура или резьба по дереву, но рисование на плоскости всегда являлось главной формой самовыражения челове­ка. Традиционные способы, используемые художниками для переда­чи ощущения глубины - это перспектива, тени, структура и размер знакомых объектов, и тот факт, что близкие объекты закрывают дальние. В наши дни изображения, сгенерированные компьютером с использованием этих способов, имеют почти фотографическое каче­ство. Но кроме упомянутых способов есть и другая группа призна­ков, по которым мозг человека определяет расстояние до объекта. К этим признакам относится:

во-первых, эффект бинокулярного зрения (binocular disparity]), возникающий в связи с тем, что у человека два глаза, и видимое од­ним из них немного отличается от видимого другим,

во-вторых, расстояния - это так называемая аккомодация (accommodation), то есть сила мускульного напряжения для настрой­ки хрусталика глаза при фокусировании взгляда на объекте в про­странстве,

в третьих - конвергенция (convergence), то есть изменение угла сведения глаз при движении объекта к наблюдателю и обратно.

При взгляде на плоскую картину первая группа способов оп­ределения глубины конфликтует со второй, поэтому изображение не выглядит по-настоящему трёхмерным. Стереография (stereography), она же стереографика (stereographies), занимается решением этой проблемы, заставляя изображаемые на плоскости объекты выглядеть трёхмерными.

В дальнейшем развитие стереографии привело к появлению са­мых разных видов стереоизображений. Появились так называемые анаглифы (anaglyphs), для просмотра которых наблюдатель должен носить очки с красным фильтром на одном глазу (это может быть, например, цветное стекло) и синим (или зелёным) на другом. Этим методом создавались целые фильмы, и для получения эффекта объ­ёмности изображения публике предлагалось надевать такие очки.

Другим изобретением была голография, однако, для создания голограмм требуется специальное оборудование.

Стереоскопический эффект- эффект ощущения протяжен­ности пространства и рельефности предметов. Главной основой сте­реоскопического эффекта является стереоскопическое восприятие. Наиболее сильно стереоскопический эффект проявляется при соче­тании бинокулярных и монокулярных факторов пространственного видения. В ряде случаев плоскостное изображение создает достаточ­но сильную иллюзию трехмерности изображения благодаря только монокулярным факторам пространственного видения, таким как све­тотень, воздушная перспектива, последовательно временной эф­фект.

Стереоскопическое восприятие, бинокулярный стереоско­пический эффект, бинокулярный стереоэффект, стереопсис, сте­реоэффект бинокулярного видения - процесс воссоздания зритель­ным аппаратом человека, обладающего стереоскопическим зрени­ем, трехмерной пространственной картины из двух двумерных сетчаточных изображений. Стереоскопическое восприятие возникает при одновременном наблюдении двумя глазами объектов в реальном пространстве или изображений стереопары при условии их сепари­рованного предъявления. В процессе восприятия мозг сравнивает различия изображений на сетчатках левого и правого глаз, что по­зволяет с большой точностью оценивать относительную разницу расстояний до различных объектов.

Стереоскопическое зрение - способность восприятия объек­тов или стереоскопических изображений двумя глазами, дающая наиболее правильное представление о рельефности объектов или их изображений, а также о глубине видимого или воспроизводимого пространства. В отличие от одновременного зрения, стереоскопиче­ское зрение является основой стереоскопического восприятия. Как и одновременное зрение, стереоскопическое зрение - частный, но значительно более распространенный, случай бинокулярного зрения.

После появления компьютеров развитие стереографии получи­ло новый толчок. Появились голографические мониторы, многопло­скостные мониторы (multi planar display), и, наконец, стереопары (stereo pair). К последнему виду относятся, например, современные шлемы виртуальной реальности. Основная идея стереопар заключа­ется в том, что каждый глаз смотрит на отдельный экран, причём один глаз видит изображение, чуть-чуть отличающееся от изображе­ния, видимого другим глазом: та же идея, что была использована при создании стереоскопа. Говоря о стереопарах, нельзя не упомя­нуть о недостатке, связанном с их просмотром: бинокулярное зрение и конвергенция соответствуют расстоянию, изображаемому на кар­тинке, но глаза наблюдателя сфокусированы на экранах, следова­тельно, аккомодация и конвергенция конфликтуют. В результате в некоторых сценах мозг человека с трудом «соединяет» изображения для левого и правого глаза, и наблюдатель снова начинает видеть две отдельные двумерные картинки вместо одной трёхмерной. А не­который процент людей (от 10% до 20%) вообще не способен уви­деть глубину в таких виртуальных трёхмерных сценах, то есть в принципе рассмотреть объёмное изображение на стереопаре. К голо- графическим и многоплоскостным изображениям этот недостаток не относится.

Другой базовый принцип построения стереограмм заключает­ся в том, что каждый глаз видит изображение, предназначенное именно для этого глаза, в то время как картинки для обоих глаз де­монстрируются на одной и той же поверхности. Нужное изображе­ние попадает в соответствующий глаз либо путём поляризации и просмотра стереограммы с помощью поляризованных очков, либо с помощью разделения во времени передачи изображения для разных глаз и использования очков, по очереди закрывающих зрителю глаза (это могут быть, например, жидкокристаллические фильтры).

Относительно недавно для создания иллюзии трёхмерности был использован так называемый «Палфрич» феномен (Pulfrich phenomenon). Основан этот эффект на психологическом факте, за­ключающемся в том, что мозг обрабатывает более тёмные изобра­жения с меньшей скоростью, чем светлые. Для получения стереоэф­фекта требуется закрыть один глаз тёмным фильтром. Зритель видит перед собой быстро сменяющие друг друга (со скоростью частоты телевизионного экрана) изображения, и каждый текущий кадр, ви­димый незакрытым глазом, соединяется в мозгу с предыдущим ка­дром, восприятие которого заторможено с помощью фильтра.

Среди стереографических изображений выделяют один важный класс - автостереограммы (autostereogram). Для просмотра авто- стереограмм зрителю не нужны никакие специальные устройства, а для их построения не требуется никакого специального оборудова­ния кроме обычного ПК. Это стереограммы на одном изображении (Single Image Stereogram, SIS); в частности, стереограммы на основе выбора случайных точек (Single Image Random Dot Stereogram, SIRDS или RDS).

История стереограмм на основе случайных точек началась в Bell Labs, когда Бела Юлеш (Bela Julesz) занимался исследованием психологической проблемы зрения и восприятия. Именно он обна­ружил (1959г.), что мозг человека способен воспринимать глубину на стереопаре, построенной на основе случайных точек. Важность этого открытия заключалась в том, что стало ясно, что и без каких- либо явных зрительных образов, распознаваемых и одним глазом (monocular pattern recognition), человеческий мозг может интерпрети­ровать видимое на плоскости как информацию о третьем измерении, то есть как глубину.

Человек с нормальным бинокулярным зрением видит немного различные картинки для разных глаз, так как глаза у человека нахо­дятся на расстоянии 6-7 сантиметров друг от друга. Мозг выполняет работу по слиянию этих изображений и получает информацию о глубине; этот процесс называется стереопсисом. Юлеш и Миллер (Miller J.E.) показали, что информация о глубине может быть полу­чена непосредственно из стереопсиса, без предварительного распо­знавания контуров объектов.

И, наконец, следующим важным шагом было открытие того факта, что для стереопсиса не обязательно использовать два отдель­ных изображения. В 1979 году Тайлером и Кларком (Tyler C.W., Clarke М.В.) была создана первая стереограмма на одном изображе­нии на основе случайных точек. Их идея была основана на «эффекте обоев», обнаруженном Сэром Дэвидом Брюстером ещё в 1844-м го­ду. Кратко это явление можно объяснить так. Пусть перед наблюда­телем находится изображение с многократно повторяющимися на нём одинаковыми фрагментами (назовём их образцами); обои как раз представляют собой такое изображение. Если развести глаза так, чтобы смотреть не на поверхность, а за неё (этот метод называется методом разведённых глаз - wide-eyed), так, что глаза будут смот­реть одновременно не на один и тот же образец, а на соседние, то мозг оказывается «обманут», думая, что глаза всё ещё смотрят в од­но и то же место, и смотрящему кажется, что видимое изображение находится несколько дальше реальной плоскости поверхности: мозг оценивает расстояние исходя из конвергенции. Если, наоборот, све­сти глаза (метод сведённых глаз - cross-eyed), то воспринимаемое изображение окажется ближе.

Далее, если повторяющиеся образцы не абсолютно одинаковы, а чуть-чуть различаются (в соответствии с представляемым трёхмер­ным образом), то мозг интерпретирует это различие как связанное с тем, что наблюдаемый объект - трёхмерный, а не изображённый на плоскости. Так появляется иллюзия трёхмерности.

Сами повторяющиеся фрагменты могут иметь любой рисунок - Тайлер и Кларк начали с фрагментов, состоящих из точек со слу­чайными цветами; уже после этого разные люди стали использовать какие-либо (в целом, относительно произвольные) рисунки. Сущест­вуют даже текстовые автостереограммы, где повторяется некоторая последовательность букв и символов.

К недостаткам стереограмм на одном изображении относится то обстоятельство, что не все люди способны их видеть, не для всех людей конвергенция является фактором определения расстояния, главенствующим над аккомодацией; для некоторых конфликт этих признаков является препятствием для способности увидеть стерео- грамму. И ещё один недостаток, которым обладают RDS и SIS - они не несут в себе информации о цветах объектов.