Автостереограмма

Автостереограмма — вид стереограммы, которая даёт стереоскопический (объёмный) эффект без каких-либо внешних сепарирующих приспособлений, таких как затворные очки, очки с поляризационными фильтрами, анаглиф.

Файл:NotWait3dKhudyakov.webm

Стереокартина Константина Худякова «Не ждали».

Простейшая автостереограмма

Простейшая стереограмма из двух ракурсов. При правильном расположении каждый глаз видит свой ракурс.

Для демонстрации возможности получения трёхмерного изображения на тонком объекте можно провести следующий опыт:

Взять стереопару, разрезать каждый кадр на вертикальные полосы. Сложить их, чтобы они чередовались следующим образом: первая полоса левого изображения, первая полоса правого изображения, вторая полоса левого изображения, вторая полоса правого изображения и т. д. Затем вытянуть по горизонтали, распечатать и сложить гармошкой. При просмотре с определённой точки каждый глаз увидит своё изображение.

История

Щелевой растр

Щелевой растр

Первым опытом создания трехмерных изображений без применения для просмотра каких-либо специальных приспособлений были картины французского художника Gaspar Antoine de Bois-Clair, написанные им в 1692 году. Когда зритель двигался вдоль его работ — они, казалось, изменяются от одной к другой. Это достигалось тем, что сами картины были разделены на вертикальные полосы, скомбинированные между собой, а зрителю предлагалось их рассматривать через ряд непрозрачных деревянных брусков, расположенных с расстояниями между ними, вертикально, относительно плоскости картин.

Интегральная фотография

Интегральная фотография

В 1908 году Габриэль Липпман предложил метод съёмки объекта на специальную светочувствительную пластину, соединённую с растром, состоящим из большого количества микролинз. Светочувствительный слой находится в фокальной плоскости этих линз. Каждая микролинза формирует изображение всего объекта в ракурсе, соответствующем её положению относительно объекта.

Съёмка объекта интегральной пластинкой производится без какой-либо вспомогательной оптики — каждый линзовый элемент является самостоятельным объективом, формирующим на эмульсии своё микроизображение объекта. После проявления получается негативное и «изнаночное» изображение объекта. Затем данный негатив, совмещённый с растром прикладывался к аналогичной конструкции (растр к растру) и делался контактный отпечаток. После проявки, при рассматривании на просвет позитивного изображения со стороны растра (растр между наблюдателем и эмульсией) получалось объёмное изображение объекта, которое формируется на том же расстоянии от фотопластины, на котором объект находился при съёмке. Для такого изображения характерны высокие стереоскопические свойства, игра светотени и бликов, а также разворот самого изображения при оглядывании его с разных сторон. Данный метод на практике не используется, поскольку есть жёсткое требование к размерам снимаемого объекта, технических трудностей изготовления высококачественных пластинок, совмещения при печати. Тем не менее данный метод ценен как первый метод пространственной записи изображений, предшествовавший голографии.

Применение цилиндрических линз

Лист линзового растра

Практическое применение щелевого растра нецелесообразно, так как чёрные непрозрачные полоски, накладываемые на изображение, в значительной степени ухудшают его качество и затемняют его. В 1912 году Вальтер Хесс запатентовал растр с цилиндрическими линзами. Особенность цилиндрических линз состоит в том, что в одном направлении они работают как плоскопараллельные пластины, а в другом, перпендикулярном к первому, как сферические линзы. Растр состоит из большого количества плоско-выпуклых цилиндрических линз‚ собранных вплотную друг к другу в едином блоке. Своей плоской стороной линзовый растр обращён к изображению. Радиус кривизны линз должен быть такой, чтобы лучи света, падающие перпендикулярно листу, после преломления на линзах, собирались на плоской поверхности растра. Такие растры называются лентикулярными.

Аналоговые технологии получения автостереограмм на лентикулярных растрах

Проекционная печать многоракурсных изображений

Печать многоракурсного изображения

Проецирование негативных изображений ракурсов через растр на светочувствительный материал. Группа независимых проекторов направлена на одну и ту же доску увеличителя, так что их оптические оси сходятся в одной точке. В каждом проекторе установлен один негатив или слайд из комплекта ракурсов объекта.

Фотосъёмка с помощью кодирующего растра

Съёмка трёхмерного изображения с помощью кодирующего растра.

По дуге вокруг статичного объекта двигается камера. Между жёстко прикреплённой к задней стенке камеры фотоплёнкой и объективом находится растр, прижатый к фотоплёнке так, чтобы между ними не было зазора, но растр мог скользить вдоль неё. Пока камера перемещается между крайними положениями, растр перемещается на один период против направления движения камеры. В результате на плёнке получается закодированное негативное или позитивное кодированное изображение.

Недостатки автостереограмм

Ступенчатость изображений

Потеря чёткости и возникновение ступенчатости при наложении лентикулярного растра 20 Lpi (размер линзы 1,2 мм).

При наложении растра на плоское изображение возникает ступенчатость контуров и потеря мелких деталей. Чем грубее растр, тем заметнее данный недостаток.

Ограниченная глубина резкости

Результат многоракурсной съёмки. 43 ракурса.

Независимо от технологии получения изображения, растр не является идеальной оптической системой и материал, на котором расположено кодированное изображение не обладает идеальной чёткостью — растекание краски или зерно плёнки ограничивают чёткость изображения. Покажем это на примере.

Анимация демонстрирует результат многоракурсной фотосъёмки. Предположим, что мы изготавливаем с этой съёмки изображения размером A4 с использованием принтера с разрешением 720 dpi на двух видах пластика. С грубой линзой, 20 Lpi (шаг 1,2 мм) и тонкой линзой 70 Lpi (шаг 0,35 мм).

Фрагменты закодированных изображений с помощью некоторого алгоритма выглядят так:

Фрагмент закодированного изображения под линзу 70 Lpi и печать 720 dpi.

Фрагмент закодированного изображения под линзу 20 Lpi и печать 720 dpi.

Результат печати после наложения растра выглядит следующим образом:

Вид отпечатка на тонком растре 70 Lpi при печати 720 dpi.

Вид отпечатка на грубом растре 20 Lpi при разрешении печати 720 dpi.

На тонком растре 70 Lpi хорошо сохранились детали переднего объекта, но сильно упала чёткость дальнего плана. На грубом растре 20 Lpi заметна общая грубость изображения, но дальний план чётче Чем тоньше растр, тем чётче изображение объектов в плоскости листа, но тем сильнее падает чёткость с глубиной. Скорость падения чёткости с глубиной зависит от достигнутой чёткости печати, качества поверхности растра и точности соответствия толщины растра фокусному расстоянию линзы.

Дефекты изготовления

Расхождение красок в 0,2 мм при офсетной печати на лентикуляре. Один из ракурсов и результат печати.

• Неточное совмещение изображения и растра.
• Неточное совмещение красок при офсетной печати.

Недоработки в дизайне

Неаккуратность съёмки и ошибки обработки

неточность движения камеры, сдвиг объектов во время съёмки, различие параметров камер и объективов, ошибки при ретуши и межкадровой интерполяции

Дискомфорт восприятия и эффект кулисности

При фотографировании сюжета, кроме выбора сюжета, освещения и экспозиции у фотографа возникает задача выбора базы. Основные соображения, которыми может руководствоваться автор следующие

• Пропорциональное воспроизведение сюжета.

Исходя из этого стереобаза (расстояние между крайними положениями точек съёмки) вычисляется по формуле $k\times L$, где $L$ — расстояние до объекта съёмки. $k$ — коэффициент, равный $2\times \mathrm {tg} \,\left({\frac {alpha}{2}}\right)$, где $alpha$ — угол обзора растра, который будет использован для печати данного изображения. $alpha$ для растров лежит в пределах от 20 до 55 градусов, $k$ получается от 1/3 до 1.

• Техническая воспроизводимость сюжета, с учётом ограничений глубины резкости при печати и комфорт восприятия.

При уменьшении стереобазы на конечном отпечатке глубина пропорционально уменьшается и всегда можно подобрать базу, такую, что сюжет становится технически-воспроизводимым и комфортным.

Съёмка для обеспечения достаточного эффекта восприятия трёхмерности объекта.

Съёмка со стереобазой, выбранной из соображения комфорта восприятия.

Комбинированная съёмка для обеспечения удобства пространственного восприятия.

При этом в большинстве случаев стереобаза, расчитанная двумя способами, различается в несколько раз. Иллюстрации демонстрируют стереопары, сделанные чтобы показать объём и быть комфортной для зрителя. В одном случае изображение воспринимается дискомфортным, в другом случае неинтересным. На отпечатке результата неинтересной съёмки объекты воспринимаются как фанерные декорации. Для устранения данной проблемы используются два варианта.

• постановочная съёмка без отдалённого заднего плана
• комбинированная съёмка, когда объект и фон снимается отдельно и затем покадрово накладываются.

Вычислительные методы изготовления автостереограмм

С достижением возможностей компьютеров, достаточных для расчётов автостереограмм разные разработчики стали разрабатывать программы для этой цели. Большинство вычислительных методов основано на

• кодировании изображений из набора ракурсов, полученных фотографическим или другим способом
• работа с многослойными кадрами, где дополнением к слою может служить карта глубины

Список программ

• Вариограф
• PhotoProjector
• 3DmasterKit
• HumanEyes
• Power Illusion
• Fanta Flip

Дополнительные функции программ

• Генерация питч-теста, предназначенного для оперативного измерения шага кодирования изображения в текущих условиях
• коррекция фотоизображений, исправление неточностей по геометрии и цвету, допущенных при съёмке
• межкадровая интерполяция
• дополнительные дизайнерские функции для других эффектов, получаемых на лентикулярных растрах

Простейший алгоритм кодирования набора ракурсов

Набор ракурсов.

Программа в качестве исходных данных получает

• Набор из $N$ ракурсов, имитирующий движение наблюдателя слева направо.

На более формальном языке: дан массив Color[номер ракурса 0..N-1][горизонтальная координата X- 0..W-1] [вертикальная координата Y- 0..H-1]

• Шаг кодирования, то есть геометрический размер, соответствующий одному пикселю (обычно задаётся в точках на дюйм).
• Шаг печатной машины (обычно задаётся в линиях на дюйм)

Так находится нужный ракурс и точка для копирования в кодированное изображение.

• Требуемый формат в миллиметрах SizeX × SizeY

В качестве результата мы должны получить изображение Result[горизонтальная координата X- 0…resultW][вертикальная координата Y- 0…resultH]

1 этап — расчитывает размеры получаемого изображения в пикселях. Размеры требуемого изображения делятся на шаг печатной машины

2 этап — расчёт цвета каждого пикселя $\left(x,y\right)$ кодированного изображения. Покажем как расчитывается произвольный пиксель. Он копируется из одного из пикселей $\left(X,Y\right)$ ракурса $Z$. Координаты $X$ и $Y$ расчитываются из пропорции ${\frac {X}{W}}={\frac {x}{resultW}}$; ${\frac {Y}{H}}={\frac {y}{resultH}}$. Здесь предполагается, что формат печати пропорционален размерам исходных ракурсов.

Затем расчитывается номер ракурса $Z$, с которого нужно копировать цвет: $Z=\left[N\times \left\{{\frac {-x}{T}}\right\}\right]$,

$T$ — период кодирования, выраженный в шагах кодирования, измеряется с помощью питч-теста и приблизительно равен ширине линзы лентикулярного пластика.

$\left\{...\right\}$ — дробная часть числа, $\left[...\right]$ — целая часть числа. В простейшем варианте номер ракурса $Z$ округляется до ближайшего ракурса.

Усовершенствование алгоритмов кодирования

При общедоступности описания простейшего подхода «нарезания ракурсов на полоски», реальные программы используют более сложные алгоритмы и их особенности не разглашают. Эти усовершенствования делаются в следующих направлениях:

• Нелинейное кодирование.

Учитывая тот факт, что крайние ракурсы линза различает хуже, чем центральные можно неравномерно распределять пространство под разные ракурсы, отдавая больше место крайним и меньше центральным

• Сглаживание исходных ракурсов.

Желательно, когда их разрешение в пикселях превосходит количество линз на подготавливаемом изображении. Это сейчас стандартная ситуация, так как типичный цифровой снимок имеет 3000 × 4500 точек, а типичный отпечаток размера A3 с шагом линз 0,6 мм (40 линз на дюйм) имеет 500 линз.

• Межкадровая интерполяция.

Желательна, когда количество кадров меньше, чем отношения шага кодирования и шага машины. Например, съёмка выполнена на 10 камер. Пластик 20 линз на дюйм. Печать с разрешением 720 dpi. В этом случае на один период пластика можно было бы напечатать 36 ракурсов, а снято 10. Для устранения скачкообразности можно применить межкадровую интерполяцию, как при подготовке набора ракурсов, так и при кодировании.

• Сглаживание кодированного изображения при избыточном количестве ракурсов.

Например, снято 90 ракурсов. Пластик 40 Lpi. Печать с разрешением 1200 dpi. В этом случае под одну линзу укладывается 30 ракурсов. А их второе больше. В этом случае можно при кодировке брать не пиксель $\left(x,y\right)$ с ракурса $n$, а брать значение ${\frac {\left({color(x,y,n-1)}+{color(x,y,n)+{color(x,y,n+1)}}\right)}{3}}$

• Адаптация под определённую печатную машину и учёт дефектов изготовления растров.

Идеальных печатных машин и растров не бывает. Струйной печати свойственно растекание краски. Офсетная печать каждой краской- двухцветная. Программа может применять алгоритмы растрирования, дизеринга, компенсации растекания краски и т. д. Также цифровой коррекции поддаются различные деформации листа в печатной машине.

Способы получения набора ракурсов

• покадровая съёмка одной фотокамерой
• синхронная съёмка набором камер или мноообъективной фотокамерой
• применение программ 3D моделирования для создания 3D модели и рендеринг набора кадров
• сдвиг и деформация слоёв по карте глубины в многослойном графическом файле
• комбинирование изображений на этапе подготовки ракурсов- покадровое наложение фотографических и рисованных элементов

Способы печати автостереограмм

Изображения, предназначенные для просмотра на отражение

• офсетная печать на линзе красками, отверждаемыми под действием ультра-фиолетового излучения
• плоттерная печать на линзе красками, отверждаемыми под действием ультра-фиолетового излучения
• струйная печать на бумаге и наклейка на растр
• офсетная печать на бумаге и наклейка на растр, наименьшая цена тиража, но и максимальный процент брака, вызванного несовмещением изображения и растра

Изображения, предназначенные для просмотра на просвет

• лазерное экспонирование чёрно-белой плёнки и наклейка на растр на фотонаборном автомате — позволяет добиться наиболее высогого контраста и минимальной потере резкости изображения с глубиной для чёрно-белых изображений
• лазерное экспонирование цветной плёнки плёнки и наклейка на растр
• склейка чёрно-белой и цветной плёнки, наклеиваемая на растр. Разработана Алексеем Горяевым в 2010 году.

Позволяет добиться наиболее высогого контраста и минимальной потере резкости изображения с глубиной для цветных изображений

Применение автостереограмм

Малоформатная сувенирная продукция

Выпускается с 1960-х гг. Содержанием первых стереофотографий чаще всего являлись изображения натюрмортов, кукол и различных макетов. Это понятно, если учесть, что стереооткрытки по своим свойствам рассчитаны на неподготовленных зрителей. В этом случае главным является лёгкость восприятия стереоэффекта, без поиска особой позиции наблюденияили какой-либо настройки глаз. В то время продолжительность съёмки составляла полминуты.

Портретная трёхмерная фотография

Установка для съёмки автостереоскопических изображений.

Процесс съёмки трёхмерной фотографии на ротационную установку.

С начала 2000-х годов автостереограммы, называемые ещё стерео-варио изображениями начали применяться для индивидуальной фотосъёмки. «Варио» обозначает, что на лентикулярных растрах можно ещё делать и меняющиеся при поворое изображения. Многоракурсная съёмка не использовалась. Вырезанное изображение человека вставлялось в многослойный файл (обычно в программе Photoshop).

Затем, благодаря падению цен на камеры и увеличению скорости серийной съёмки, фотографы стали использовать покадровую многоракурсную съёмку. Как правило, съёмки проводили на улице при ярком свете. Из за большого удаления заднего плана и недостаточных возможностей струйной печати данные изображения сильно страдали от эффекта кулисности, когда чувствуется разноплановость объектов, не сами объекты кажутся плоскими.

В 2010 году Алексей Горяев провёл опыты по независимой съёмки человека и фона с разными параметрами и их последующего покадрового совмещения. В результате получились трёхмерные изображения с устранённым эффектом кулисности.

В настоящее время для трёхмерной фотографии людей применяются:

• синхронные многокамерные установки
• рельсовые установки для перемещения камеры
• ротационные установки

Искусство

Многие автостереограммы уже сейчас признаны произведениями искусства, участвуют в международных выставках и продаются на аукционах.

Виктор Власенко создавал уникальные по техническим характеристикам стереокартины. Его работы представляют собой ценность для коллекционеров.

Современные художники

• Худяков Константин Васильевич

работает в этом жанре совместно с Алексеем Горяевым. Создаёт сюрреалистичные стереокартины с помощью программ трёхмерного моделирования. Наиболее известными его работами была серия из 16 картин «Апокалипсис», сделанная к выставке в галерее Триумф-Метрополь, картина «Жертвоприношение», серия картин «Вначале было слово». Работает по технологии склейки цветной и чёрно-белой плёнки.

• Заикин Михаил Создаёт стереокартины по мотивам архитектуры Сталинской эпохи с помощью программ трёхмерного моделирования. Работает по технологии склейки цветной и чёрно белой плёнки.
• Горяев Алексей Создаёт фотокартины с участием звёзд спорта. Предпочитает чёрно-белые изображения.
• Королёв Рудольф Создаёт стереокартины на религиозную тему и по мотивам литературных произведений.

Трёхмерное телевидение

В настоящее время схожие принципы применяются для трёхмерных телевизоров и мониторов. Автостереограмма также применяется в консоли Nintendo 3DS., которая поступила в продажу в конце марта 2011.

Примечания

• Dodgson, N.A. (August 2005). "Autostereoscopic 3D Displays". IEEE Computer. 38 (8): 31—36. doi:10.1109/MC.2005.252. ISSN 0018-9162.

Ссылки

• Описание устройства автостереоскопических 3D мониторов
• Обзор автостереоскопических ЖК дисплеев
• Видеоролики современного процесса трёхмерного фотографирования людей

Литература

• Власенко В. И. Техника объёмной фотографии. Москва, Искусство. 1978 г.
• Рожков С. Н. Овсянникова Н. А. Стереоскопия в кино-, фото-, видеотехнике. Москва, Парадиз. 2003 г.