Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie

OBSERWACJE STEREOSKOPOWE ZDJĘĆ

ZOD Toruń

Geodezja i Szacowanie Nieruchomości

Anna Milczarska

Nr 5

1. Metoda optyczna, anaglifowa i polaryzacyjna tworzenia efektu stereoskopowego widzenia.

Stereoskopia — technika obrazowania, oddająca wrażenie normalnego widzenia przestrzennego, tzn. reprezentującego nie tylko kształt i kolor obiektów ale także ich wzajemne zależności przestrzenne, odległość od obserwatora i głębię sceny. Wymaga dostarczenia do mózgu dwóch obrazów, widzianych z perspektywy lewego i prawego oka. W tym celu wykonuje się parę zwykłych dwuwymiarowych obrazów (stereoparę), reprezentujących obiekt czy scenę z dwóch punktów widzenia, oddalonych tak jak oczy obserwatora. Obrazy składowe stereopary są bardzo podobne, ale różnią się nieco kątem widzenia obiektów i szczegółami wzajemnego przesłaniania się obiektów w scenie. To właśnie te drobne różnice niosą informację o trzecim wymiarze. Przy pomocy jednej z wielu technik prezentacji 3D przedstawia się lewy obraz lewemu oku a prawy — prawemu. W mózgu następuje połączenie tych dwóch obrazów w jeden obraz trójwymiarowy przestrzenny, zwany obrazem cyklopowym[potrzebne źródło], ponieważ odbieramy go tak, jakby był widziany przez jedno „trójwymiarowe” oko umieszczone u nasady nosa.

Sposoby odwzorowania trzeciego wymiaru:

1. Najprostszym i najstarszym sposobem przedstawiania obrazów stereoskopowych było łączenie ich w stereopary, jak na ilustracji powyżej, i oglądanie przez stereoskop zaopatrzony w dwie soczewki sferyczne lub sferyczno-klinowe. Pierwszy stereoskop Wheatstone'a powstał w latach czterdziestych XIX w., a najbardziej rozpowszechniony model Holmesa w roku 1861. W drugiej poł. XIX w. stereoskop stał się ulubionym sprzętem każdego salonu mieszczańskiego.

2. Istnieje możliwość oglądania stereopar bez użycia stereoskopu. Przy metodzie prostoglądu ustawiamy oczy w zezie rozbieżnym, aby każde oko było skierowane na odpowiedni obraz stereopary. W przypadku krzyżoglądu obrazy są zamienione miejscami, a oczy ustawia się w b. silny zez zbieżny. W obu przypadkach wadą jest ograniczony format obrazów.

3. Metodą, która zyskała popularność dzięki komputerowemu przetwarzaniu obrazów, jest metoda anaglifowa. Obrazy nałożone są na siebie i zabarwione są na kolory: czerwony i niebieski. Przy oglądaniu przez okulary o tak samo zabarwionych szkłach następuje separacja obrazów i pojawia się efekt przestrzenny przy nieco zubożonej kolorystyce.

4. Również komputery umożliwiają oglądanie obrazów metodą migawkową. Obrazy są wyświetlane przemiennie na ekranie monitora, a okulary o szkłach ciekłokrystalicznych odsłaniają na przemian synchronicznie lewe i prawe oko.

5. W kinach stosowana jest metoda projekcji przez filtry polaryzacyjne na ekran pokryty folią aluminiową. Kierunki polaryzacji obu filtrów są ustawione prostopadle względem siebie. Widzowie zaopatrzeni w okulary z analogicznie ustawionymi filtrami widzą ruchome obrazy o idealnej jakości.

6. W drukach reklamowych, m.in. okładkach książek, stosowany jest druk rastrowy. Obrazy składają się z prążków na przemian prawego i lewego obrazu, a nałożone przezroczyste folie z soczewkami cylindrycznymi zapewniają separację obrazów.

Trójwymiarowa (stereoskopowa) obserwacja zdjęć stanowi podstawę większości opracowań fotogrametrycznych. Stereoskopia jest wręcz nieodzowna przy fotogrametrycznym wcięciu w przód punktów niesygnalizowanych, z czym mamy

do czynienia w trakcie autogrametrycznego opracowywania map. Niezbędna jest wtedy nieustanna (ciągła) identyfikacja - na dwu zdjęciach - obrazów tego samego punktu. Jest to możliwe dzięki wrodzonej zdolności oczu ludzkich, nazywanej zdolnością stereoskopowego widzenia. Dwa jasne punkty, których obrazy powstają na siatkówce oka, są rozpoznawane oddzielnie, jeśli miedzy podrażnionymi światłem czopkami znajdzie się jeden czopek nie podrażniony (lub słabiej podrażniony), a więc, gdy (uwzględniając wymiary gałki ocznej) odległość obrazów siatkówkowych wynosi co najmniej 5μm, co odpowiada katowi 1'. Kąt ten jest miara zdolności rozdzielczej oka.

Dwuoczne widzenie przedmiotów pozwala na odbieranie wrażenia przestrzenności i ocenę oddalenia przedmiotów. Jest to możliwe dzięki różnicy obrazów powstałych na siatkówkach oczu oddalonych od siebie o około 65 mm. Warunkiem poprawnego widzenia dwuocznego (stereoskopowego) jest współuczestnictwo obu oczu, co oznacza, że jednakowej wielkości, ostre obrazy powstają w odpowiadających sobie - tzw. współdziałających - miejscach siatkówek obu oczu. Jest to możliwe przy odpowiedniej koordynacji mięśni ocznych oraz równej ostrości obu oczu. Idealna koordynacja - ortoforia - jest zjawiskiem rzadkim; wykluczają ją w szczególności wady wzroku (np. zez). Stopień wypełnienia powyższych warunków decyduje o indywidualnej zdolności stereoskopowego widzenia, szczególnie ważnej w lotnictwie i oczywiście - w fotogrametrii.

Naturalny efekt stereoskopowy można przyrównać do nowoczesnego systemu fotogrametrii w czasie rzeczywistym (ang. real time photogrammetry). Oko działa jak kamera wyposażona w matrycę detektorów CCD (choć ich układ bardziej przypomina plaster pszczeli aniżeli tablice macierzy), informacje zarejestrowane przez każdą z siatkówek są przesyłane do doskonałego systemu przetwarzającego jakim jest mózg, są tam analizowane (dokonując przestrzennego wcięcia w przód obserwowanego obiektu), aby w czasie krótszym niż „mgnienie oka” przekazać informacje i polecenie (np. że trzeba zamknąć powiekę, bo zbliża sie mucha). Naturalny efekt stereoskopowy można spotęgować dwiema drogami:

a) powiększając bazę obserwacji,

b) przez powiększenie obrazów.

Efekt stereoskopowy można także uzyskać sztucznie - obserwując zdjęcia wykonane z dwu różnych miejsc, spełniając pewne warunki. Para takich zdjęć nosi nazwę stereogramu. Niewielkie stereogramy możemy obserwować nawet gołymi oczyma, ale na ogół używa się do tego przyrządów.

Sztuczny efekt stereoskopowy można uzyskać po spełnieniu następujących warunków:

- zdjęcie lewe obserwuje sie okiem lewym, a prawe - prawym,

- obserwuje sie przedmioty odwzorowane na obu zdjęciach w podobnej skali (tolerowana przez ludzkie oczy różnica wynosi 14%),

- punkty (szczegóły) obserwuje sie w ich płaszczyznach rdzennych, tj. w płaszczyznach

wyznaczonych przez obydwa środki rzutów i obserwowany punkt.

To ostatnie oznacza, że obserwowane zdjęcia powinny zajmować takie położenie (przestrzenne), jakie zajmowały w momencie fotografowania. Taki sposób odtworzenia przestrzennego ułożenia fotogramów jest realizowany w autografach analogowych, których konstrukcja umożliwia odpowiednie nachylanie i skręcenie obserwowanych zdjęć (o kąt к), oraz wzajemne oddalenie zdjęć o składowe bazy. W przypadku obserwacji fotogramów ułożonych płasko oznacza to, że powinny one zostać tak skręcone, aby promienie rdzenne - ślady płaszczyzn rdzennych na zdjęciach - tworzyły jedną prostą. Po spełnieniu powyższych warunków możemy obserwować przestrzenny model stereoskopowy sfotografowanego przedmiotu.

Obserwację stereoskopową ułatwiają stereoskopy i inne przyrządy, ale wprawiony obserwator może uzyskać model stereoskopowy patrząc oczyma nieuzbrojonymi, pod warunkiem, że obrazy (lewy i prawy) będą oddalone od siebie nie więcej niż wynosi baza oczna (65 mm). Inne metody uzyskania sztucznego efektu stereoskopowego to:

• metoda optyczna - polega ona na rozdzieleniu promieni biegnących od lewego zdjęcia do lewego oka i promieni biegnących od prawego zdjęcia do prawego oka za pomocą specjalnych układów optycznych. Najprostszym układem optycznym służącym dla wymienionego celu jest stereoskop zwierciadlany.

• metoda anaglifowa - (nadający sie tylko do obserwacji zdjęć czarno-białych) polega nanpołączeniu dwóch obrazów, tego samego obiektu, zabarwionych dopełniającymi sie kolorami i obserwacji ich przez filtry optyczne (barwne) tak dobrane, aby każde oko widziało tylko jeden obraz, np. lewe - czerwonej, prawe - niebieskiej (lub zielonej) i obserwowane są przez okulary (filtry) w tych barwach.

• metoda polaroidów - podobna do metody anaglifowej, z tym, że dla rozdzielenia obrazów - zamiast kolorowych filtrów - stosowane są polaryzatory optyczne. Działanie tych polaryzatorów polega na uporządkowaniu drgań fal świetlnych w jednej wybranej płaszczyźnie.

2 . Budowa i zasada działania stereoskopu zwierciadlanego

Stereoskop zwierciadlany składa sie z dwóch par luster, które ustawione są w stosunku do obserwowanych zdjęć pod katem 45°. Promienie biegnące od lewego zdjęcia widziane są jedynie lewym okiem, a promienie biegnące od prawego zdjęcia prawym okiem. Jeżeli obserwacje prowadzone są w płaszczyznach rdzennych, to obserwator odbiera efekt stereoskopowy modelu A, L, C. Model ten powstaje na przecieciach sie przedłu_en promieni, jednoimiennych punktów, wpadających do oczu obserwatora. Baza obserwacji b0 zostaje powiększona do wielkości nb0, dzięki zastosowaniu rozstawionych zwierciadeł. W niektórych typach stereoskopów, oprócz zwierciadeł, umieszczone są także soczewki albo lunetki, których zadaniem jest dodatkowe powiększenie obrazu.

3. Orientacja zdjęć metodą „wg bazy”

Stereoskop zwierciadlany jest przyrządem do kameralnej obserwacji stereogramów.

Fotogramy ułożone płasko na stole powinny zostać ze strojone po bazie, co oznacza, że punkty główne obu zdjęć i ich obrazy na sąsiednich zdjęciach znajdą sie na jednej prostej. Rozstaw zdjęć wynika z konstrukcji stereoskopu, ale powinno sie dążyć do tego, aby odpowiadające sobie szczegóły były widoczne w środku pola widzenia każdego z mikroskopów (ew. lup).

4. Zasada działania wirtualnego znaczka pomiarowego

Jeżeli w polu widzenia każdego z fotogramów umieści się - w płaszczyźnie rdzennej

obserwowanego szczegółu - jednakowe znaczki pomiarowe (np. kropki), to w przestrzeni modelu stereoskopowego zauważy się przestrzenny znaczek pomiarowy.

Przesuwając jeden ze znaczków pomiarowych w lewo lub w prawo (w płaszczyźnie rdzennej obserwowanego szczegółu), odbieramy wrażenie przybliżania lub oddalania się przestrzennego znaczka od obserwowanego stereoskopowego modelu przedmiotu. Znając wielkość przesunięcia znaczka pomiarowego, możemy obliczyć wielkość przestrzennego przemieszczenia przestrzennego znaczka pomiarowego na modelu stereoskopowym.

Przestrzenny znaczek pomiarowy spełnia w fotogrametrii role pomiarowego - wysyłanego z tyczką lub sygnałem w określone miejsce mierzonego obiektu, aby móc pomiarowo określić jego położenie. Jest to zasadnicza koncepcja pomiarów stereo fotogrametrycznych.

Jeżeli w polu widzenia każdego zdjęcia umieścimy znaczek pomiarowy, którego położenie względem zdjęcia może sie zmieniać, to istnieje takie jedno położenie znaczka, przy którym jest on styczny do powierzchni modelu.

W położeniu wyjściowym - stosunkowo łatwo jest monokularne pokrycie jednego znaczka pomiarowego z obserwowanym punktem, np. a'. Równocześnie z tym drugi znaczek przemieszczany jest w płaszczyźnie drugiego zdjęcia (Π2). Jeżeli ustawienie drugiego znaczka odpowiada położeniu 3, to przestrzenny znaczek pomiarowy znajdzie się pod powierzchnią widocznego modelu stereoskopowego. Dopiero dokładne naprowadzenie prawego znaczka na punkt a'' zdjęcia Π2 - położenie 1 - prowadzi do styczności wyobrażalnego znaczka pomiarowego z mierzonym punktem A modelu. Doprowadzenie do styczności wyobrażalnego znaczka pomiarowego z obserwowanym punktem modelu, osiągnięte więc jest poprzez dokładne naprowadzenie znaczków rzeczywistych na

jednoimienne punkty zdjęć Π1 i Π2. Następnie na licznikach instrumentu wykonywane są odczyty położenia punktów na zdjęciach.

Wartość odczytu odpowiadającego położeniu znaczka pomiarowego na danym punkcie zdjęć jest funkcja tego punktu na powierzchni modelu stereoskopowego od bazy obserwacji.

Do wykonywania prostych pomiarów wysokościowych pod stereoskopem służy

stereomikrometr. Przyrząd ten składa sie z wyskalowanej śruby mikrometrycznej, oraz dwóch płytek szklanych z naniesionymi znaczkami pomiarowymi. Układając stereomikrometr na zestrojonych zdjęciach, można - kręcąc śrubą mikrometryczna - uzyskać efekt przestrzennego ruchu znaczka pomiarowego (jeśli spełniony jest warunek obserwacji w płaszczyźnie rdzennej). Wykorzystując odczyty ze skali paralaks podłużnych stereomikrometru, można obliczać różnice wysokości. Tym sposobem określa sie wysokości drzew, budynków, itp. W pewnych przypadkach możliwe są nawet uproszczone opracowania rzeźby terenu.

5. Test widzenia stereoskopowego

Dla stwierdzenia stopnia czyjejś zdolności widzenia stereoskopowego stosuje się m.in. specjalne testy- stereogramy.

Jeden z takich testów, wydany przez firmę Carl Zeiss Jena przedstawiono na rysunku

Jest to stereogram , na którym znajduje się 10 różnych figur sylwetkowych. Obserwując ten stereogram, zobaczymy, że sylwetki poszczególnych figur są płaskie. Jednocześnie przy każdej z tych figur zaobserwujemy cztery znaczki w kształcie: kreski, krzyżyka, trójkąta i balonu. Znaczki te względem płaszczyzny figury rozmieszczone są przestrzennie, tzn. mogą znajdować się przed, za lub w płaszczyźnie obserwowanej figury. Właściwe badanie zdolności widzenia stereoskopowego polega na ocenie przestrzennego usytuowania wymienionych znaczków względem płaszczyzny danej sylwetki. Wszystkie sylwetki są ponumerowane cyframi 1÷10. Dla figury nr 1 zmiany głębokości, których są umieszczone znaczki, odpowiadają zmianie kąta paralaktycznego ok. 13”. Jest to więc wartość praktycznie graniczna równa zdolności rozdzielczej widzenia stereoskopowego. Dla kolejnych figur względne zmiany głębokości są coraz większe i wzrastają w postępie arytmetycznym. Dlatego też zaleca się rozpoczęcie badania od oceny położenia znaczków względem figury 10, dla której różnice odległości odpowiadają zmianie kąta paralaktycznego

ok. 130”.

Rezultaty oceny położenia znaczków względem poszczególnych figur zamieszczamy w specjalnym formularzu. Po zakończeniu badania ustalamy liczbę trafnych ocen przez wagi przyporządkowane każdej figurze, a następnie zsumowanie wszystkich ocen cząstkowych tworzy sumę ogólną. Suma ta pozwala ustalić paralaksę osobową badanej osoby.

Osoby, które uzyskują wynik 13” mogą bez trudu wykonywać pomiary fotogrametryczne na instrumentach fotogrametrycznych.

---