Теневая проекция стереоизображений
Прием теневой проекции широко использовался и ранее. Например, Д. Д. Гибсон применял теневую проекцию, получаемую с помощью маленьких источников света, для того чтобы избавиться от фактуры фона, в частности при изучении восприятия глубины по параллаксу движения. Теневой проектор стереоизображений, используемый нами для изучения стереовосприятия проволочных моделей, а также для выполнения многих других опытов, был впервые описан автором в 1964 году [55]. Полное математическое описание данного устройства приводится в статье Д. Н. Ли [84].
Следующее простое устройство позволяет проецировать в форме стереоизображений трехмерные объекты типа проволочных моделей молекулярных или кристаллических структур. Маленькие модели могут быть увеличены в трехмерной проекции в десять и более раз. Оптическая часть состоит всего лишь из пары небольших ярких источников света, разделенных расстоянием в несколько сантиметров. Перед объективом каждого проектора расположен поляроидный фильтр; оба фильтра ориентированы под углом 90 градусов друг к другу. Проекторы дают пару теневых изображений объекта, который помещается между источниками света и посеребренным экраном. При желании можно проецировать на просвет, но тогда экран должен быть изготовлен из шлифованного стёкла, не деполяризующего свет. Тени, наблюдаемые сквозь "скрещенные" поляроидные очки, "сливаются" в мозгу и дают одиночный стереоскопический теневой образ, который лежит в пространстве.
Объяснение этого эффекта не составляет труда. Тени, отбрасываемые проекторами на экран, являются плоскими, слегка различающимися изображениями одного и того же объекта. Это различие соответствует диспаратности ретинальных изображений при наблюдении этого объекта из позиций, занимаемых проекторами. В мозгу наблюдателя оба диспаратных изображения сливаются в одну стереоскопическую "тень", невероятно похожую на подлинный предмет, но только угольно-черного цвета. Он виден в пространстве либо впереди, либо позади плоскости экрана в зависимости от того, как наблюдается изображение: когда правый глаз получает "правое" изображение, а левый - "левое", предмет виден ближе экрана; стоит перевернуть очки, и стереоизображение оказывается дальше экрана. В очках поляроидные фильтры ориентированы под углом 45 и 135 градусов к горизонтали.
В качестве источников света подходят миниатюрные лампы (12 вольт, 100 ватт) с вольфрамовой нитью и йодным наполнением баллона. Нить лампы следует ориентировать вертикально - тогда разрешение по горизонтали максимальное, а это важно для получения максимума информации о глубине, ощущаемой благодаря действию механизма диспаратности.
Увеличение по осям х и у задается отношением расстояния от проекторов до объекта и от объекта до экрана. Увеличение по оси урегулируется расстоянием между проекторами. Практически удобно давать десятикратное увеличение, но воспринимаемый размер объекта меньше ожидаемого из-за действия механизма перцептивной константности размера.
Объект, воспринимаемый впереди экрана, обычно кажется меньше, чем в случае, когда он виден позади экрана, хотя его физический размер отнюдь не меняется при смене положения поляроидных фильтров. Сильно выражен еще один перцептивный феномен: когда наблюдатель двигает головой, ему кажется, что стереоизображение перемещается в ту же сторону, скользя вдоль экрана и даже поворачиваясь вокруг своей оси, как будто оно всегда нацелено в глаза наблюдателя. Причина эффекта заключается в том, что наблюдатель видит трехмерный "объект", но параллакс движения отсутствует. Это возможно в нормальных условиях именно при вращении предмета - тогда он остается повернутым к наблюдателю все время одной и той же стороной.
Поэтому и в данном случае наблюдатель воспринимает движение, несмотря на то что ретинальные изображения объекта остаются неизменными. Когда наблюдатель удаляется от экрана, теневой объект не сжимается и не утрачивает трехмерности, как можно было ожидать; очевидно, уменьшение угла конвергенции глаз меняет калибровку механизма диспаратности, так что постоянная величина диспаратности соответствует большей стереоскопической глубине. Это чрезвычайно удачная особенность данного вида перцепции, так как теневой образ предмета почти не меняется в широком диапазоне расстояний до экрана, что позволяет демонстрировать его в больших залах для широкой аудитории. Лектор может трогать "объект", менять его положение в пространстве, чего не позволяют другие методики стереопроекции.
Способ полезен также для исследования восприятия глубины во время движения наблюдателя. На основе предлагаемой методики можно создавать имитаторы для экспериментального исследования самолетовождения и управления космическими летательными аппаратами.
Машины для рисования в трехмерном пространстве
Стереопары, в которых правая и левая картины разделены с помощью цвета (анаглифическим способом), можно рисовать по правилам проективной геометрии, но это кропотливая работа. Она облегчается, если пользоваться пантографом, так как его поворотное чертежное устройство обладает необходимым числом степеней свободы. И все же для каждой желаемой сепарации штрихов нужно точно устанавливать осевой шарнир пантографа; поэтому такая система эффективна только в тех случаях, когда в рисунке необходимо и достаточно задать серию планов, находящихся на разных видимых расстояниях.
Хороших книг по стереофотографии нет, как нет и пригодных для научной работы стереофотокамер для съемки на 35-миллиметровую пленку. Не изготавливаются и зеркальные стереофотоаппараты. Снимки, составляющие пару, приходится обрабатывать отдельно - разметка утрачивает точность. Кроме того, аппарат следовало бы снабдить устройством для точной конвергенции осей объективов в соответствии с тем, как конвергируют глаза, рассматривая близкие объекты.
Первая машина для рисования в трехмерном пространстве (ее описание см. на стр. 155) основана на использовании оптики и электролюминесцентных панелей. Основные трудности с оптикой возникают по двум причинам: вследствие малой глубины фокуса системы линз проектора и реверсии системы координат. Чтобы исправить реверсию, приходится ставить дополнительные зеркала - оборачивать изображения рисующего света на переднюю поверхность панелей. Конструкция значительно упростилась бы при рирпроекции, поскольку проекция изображения и рассматривание его осуществлялись бы тогда по одной оси. Если приходится проецировать спереди и рассматривать изображение в отраженном свете, то нужно либо установить большое полупрозрачное зеркало, расщепляющее световой поток, либо (как у нас) сделать так, чтобы оси проекций и обзора были направлены не под прямым углом к экрану. Такая проекция вносит искажения, которые компенсируются рассматриванием под тем же самым углом, только по другую сторону нормали к экрану.
Абсолютно необходимо добиться соответствия между пространственными координатами рисующего света и видимыми координатами стереоизображения, которое возникает после слияния пары реальных изображений, хранящихся на поверхности люминесцентных панелей. В нашем устройстве перемещения рисующего света вдоль осей x и y перевернуты; обратное перевертывание достигается соответствующим устройством окуляров (четырехкратное увеличение последних как раз достаточно для разрешения зерна панелей). Чтобы изображение перевернуть обратно и по оси (в глубину), применяется большое плоское зеркало, лежащее в оптическом пространстве между источниками света и объективами проекторов; такое устройство необходимо потому, что проекция ведется спереди - изображение приближается к панели, когда оно должно отдаляться от нее. Плоское зеркало удлиняет путь света к панели, когда свет отодвигается от наблюдателя, как это было бы при проекций на обратную сторону панели. Но если бы свет в самом деле шел сзади, сквозь панель к линзам окуляров, не было бы перевертывания по оси z.
Конечно, данная оптическая система не единственно возможная. Увеличить полезную площадь панелей легко, добавив отклоняющие призмы или применив уитстоновские стереоскопические зеркала. Но тогда возникают новые трудности, поскольку для увеличения полезной (несущей изображение) площади панелей требуются более длиннофокусные объективы, а это уменьшает диапазон возможных движений рисующего света в глубину. Наше устройство было разработано в основном эмпирически. Мы стремились к тому, чтобы машина была простой, состояла только из стандартных деталей и давала картины, пригодные, по крайней мере на первых порах, для того, чтобы инженеры, архитекторы и другие специалисты, заинтересованные в этом, могли начать работу с ней, стремясь лучше понять и отобразить сложные структуры.