Научная работа: Стереоскопы в нашей жизни

БОУ г.Омска «Средняя общеобразовательная школа № 51» БУК Омской области «Омский государственный историко­краеведческий музей» ФГБОУ ВО «Омский государственный  педагогический университет». ФГБОУ ВО «Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского» Городской фестиваль исследовательских работ и творческих инициатив «Мой родной край» Тема: «Стереоскопы в нашей жизни» Учебно­исследовательская работа Выполнил:  учащийся 5 «В» класса БОУ г. Омска «Лицей № 25» Михайленко Владимир  Научный руководитель: учитель физики БОУ г. Омска «Лицей № 25» Вишневская Татьяна Алексеевна Омск  2016 Содержание Введение ..........................................................................................................3 1. Понятия стереоизображения и стереоскопа, история стереоскопии ....5 2. Стереопары. Виды стереоскопов .............................................................8 3. Получение стерео изображения в различных видах стереоскопов.....12 4. 3D­изображения  в нашей жизни ...........................................................15 Заключение ..................................................................................................18 Список литературы .....................................................................................19 2 Введение  Заметил   ли   ты,   что   фотографические   снимки   обладают   странными чарами? Они все, простые и двойные для стереоскопа, загадочно влекут к себе…. Рассматривать фотографии в стереоскопе, не простая ли это детская забава? Но вникни: в этом кроется странное волшебство, и душа радостно отдается его чарам. … Плоский снимок – углубился, получил таинственную перспективу;   ты   уже   не   просто   заглядываешь,   ты   словно   проникаешь   в глубины   мира…   Впечатление,   когда   я   в   первый   раз   заглянул   в   линзы стереоскопа, не изгладится во мне... На первый взгляд может показаться, что такой прибор как стереоскоп и стереокартинки – это ветер прошлого. У наших родителей в детстве, скорее всего, был дома стереоскоп   со слайдами. Им казалось, что это всего лишь детская игрушка. Хотя  на самом деле, это было  начало 3D эпохи, которую мы сейчас воспринимаем как обычную и даже повседневную. Цель   работы   –определить   при   использовании   какого   стереоскопа стереоизображение будет лучше. Задачи: 1. Изучить теоретические основы стереоскопии 2. Рассмотреть основные виды стереоскопов 3. Изготовить стереоскопы различных видов 4. Сравнить стерео изображения, полученные различными стереоскопами 5. Выяснить  сферы применения стереоизображений и стереоскопов  Объект исследования – стереоскопы различных видов  Предмет исследования – стереоскопические изображения, полученные  этими стереоскопами. Гипотеза исследования – стереоэффект изображений зависит от  сложности прибора.  Работа состоит из четырех параграфов. В  параграфах 1 и 2 рассмотрены   определение теоретические   основы   возникновения   стереоэффекта, стереопары,  а также существующие виды стереоскопов.  3 В   параграфе   3   приводится   описание   практического   исследования возникновения   стереоэффекта   при   просмотре     изображений   в   различных видах стереоскопов В   параграфе   4   дается   практическое   применение   стереоизображений   и стереоскопов. 4 1. Понятия стереоизображения и стереоскопа, история стереоскопии Нам   кажется,   что   оба   наши   глаза   должны   видеть   одинаково.   Но посмотрим поочерёдно левым и правым глазом и убедимся в том, что они видят по­разному. Эта разница в восприятии положения ближних предметов и является   основой   стереоэффекта.   СТЕРЕО...   (от   греч.   stereos   ­   твёрдый, объёмный, телесный, пространственный) ­ часть сложных слов, указывающая на:   1)   объёмность   или   наличие   пространственного   распределения   (напр., стерео­ стереофония), 2) твёрдость, постоянство (напр., стереотипия). [3,  с. 510] Человек обладает многими механизмами оценки предметов. Некоторые из   них   совершенно   очевидны,   что   мы   над   ними   даже   не   задумываемся. Например, если приблизительно известна величина объекта (человек, дерево и др.), то можно оценить расстояние до него или понять, какой из объектов ближе. Объяснение психофизиологической  стороны вопроса  ­ в результате взаимодействия двух глаз. Даже в абсолютной темноте мы можем наощупь определить, с помощью осязания     толщину   предметов,   и   даже   расставить   подушечки   пальцев   в соответствии   с   толщиной   этих   предметов.   Значит     наше   сознание   может довольно точно ощущать степень усилия наших мышц. С глазами   это тоже работает [2, с. 8]. Известно, что всякая точка предмета при восприятии её двумя глазами изобразится на сетчатке наших глаз в виде двух одноимённых точек. В случае фиксирования зрения на одну реальную точку Р сигналы обоих глаз оцени­ ваются сознанием как сигналы от одной реальной точки. Угол, под которым пересекаются зрительные оси глаз, называется  углом конвергенции. 5 Если другая точка  Q  находится на таком же расстоянии, то мы это распознаем,   т.к.   угол   остался   прежним.   В   том   случае,   если   точка  Q`, например, ближе, то и величина угла меняется.  Величина   угла   конвергенции,   как   мы   поняли,   зависит   от   расстояния,   и равна 0°, когда мы смотрим на бесконечно удалённые предметы, например, луну,   звёзды,   и   равна   примерно   15°   в   тот   момент,   когда   мы   фиксируем предметы, находящиеся от глаз на расстоянии 25 см, например, при чтении. Заметим,   что   возможность   «непосредственно»   видеть,   дальше   или ближе   точки   фиксации   расположен   тот   или   иной   объект   возникает   в   тех случаях,   когда   два   сетчаточных   изображения   несколько   смещены относительно друг друга в горизонтальном направлении — раздвинуты или, наоборот, сближены (если только это смещение не превышает примерно 2°, а вертикальное   смещение   близко   к   нулю.   наше   сознание,  ощущая   мышечное усилие, которое необходимо для соответствующего поворота глаз, выносит суждение о величине угла и о взаимном расположении предметов. Рис 1. Геометрическая схема объяснения стереоэффекта 6 Также следует заметить, что не каждый человек обладает способностью воспринимать   глубину   пространства,   т.е.   стереоскопическим1  зрением. Зрительное восприятие пространства далеко еще не изучено. Однако мы знаем теперь,   что   оно   не   является   прирожденным   свойством   нашего   зрения,   а приобретается в результате сознательного опыта. Исследованиями   объемности   зрительного   образа   предметов   начали заниматься очень давно. Еще в 280 году до н. э. Евклид впервые обнаружил, что каждый глаз видит немного отличающиеся картинки одного и того же объекта. В 1584 году за исследование темы взялся Леонардо да Винчи. Он указывал,  что  шар,  виден  каждым  глазом  по­разному  — левым  глазом  мы немного дальше видим его левую сторону, а правым глазом — правую. И только  в 17  веке  теория   стереоскопического   восприятия  была   изложена   в научной   форме   немецким   оптиком   и   геометром   Иоганном   Кеплером. В   1833   году   Чарльз   Уитстон   изобретает   стереоскоп2  (см.   Рис.2)   В первоначальной   конструкции   стереоскопа   наблюдатель   рассматривал   два изображения таким образом, что каждый глаз видел только одно изображение. Два   изображения   идентичны   во   всем,   кроме   небольших   горизонтальных смещений, которые и создают впечатление глубины. .   В   качестве   объектов   ученый   поначалу   использовал   свои   рисунки, поскольку фотография была изобретена только спустя шесть лет в 1839 году. 1 Слово с т е р е о с к о п и я происходит от греческих слов стерео (телесный,объемный) и скопио (смотрю,  вижу) и означает зрительное восприятие телесности, объемности пространства [3, с. 510 ]. 2С т е р е о с к о п - оптический  прибор для просмотра «объёмных» фотографий.  7 Рис. 2. Стереоскоп Уитсона  В 50­х гг. 19 века Дэвид Брюстэр установил на стереоскоп две линзы (см. Рис.3)   на   расстоянии   2,5   дюйма   друг   от   друга,   что   усилило   эффект   от просмотра. Рис. 3 Стереоскоп Дэвида Брюстэра  Своего   апогея   развитие   стереоскопов   достигло   в   1856   г.,   когда   его продажи   составили   более   миллиона   экземпляров   и   это   только   в   Англии. Стереоскоп в течение примерно полувека был настолько популярен, что к 8 1860 году как и сегодня в каждом доме стоят телевизоры практически во всех домах стояли стереоскопы с различным набором стереослайдов.   А сейчас мы смотрим стереокино,  просто используя для этого специальные  очки. 2. Стереопары. Виды стереоскопов. Стереопара  (см. Рис. 4) ­ совокупность двух фотоизображений одного и того же объекта, полученных посредством одновременной съёмки с двух  различных точек. Одно  из которых предназначено для левого глаза, другое ­  для правого [2, c. 510].  Рис. 4 Пример стереопары Способы просмотра стереопар:   параллельный   перекрестный (или инверсный)   анаглифический  затворный  поляроидный Самыми доступными являются способ параллельного просмотра и  инверсный способ.  Параллельный  способ заключается в том, что оба изображения стерео­ пары располагаются  рядом: правое — справа, а левое — слева.  Это ­  наиболее естественное стереоизображение для наших глаз и нашего мозга ­ мы 9 смотрим так каждый день. Потренировавшись, можно научиться смотреть  каждым глазом на соответствующее ему  изображение. Недостаток этого  способа заключается в том, что в этом случае можно смотреть стереопары,  расстояние между центрами которых не превышает расстояния между гла­ зами. Можно переставить половинки стереоизображения местами и заставить  правый глаз рассматривать левое изображение, а левый — правое. Такой  способ просмотра получил название «инверсный», или «перекрестный».  Перекрестные стереопары  отличаются от параллельных тем, что могут быть  любого размера, ­ именно поэтому они распространены  гораздо шире  параллельных.  Другим   весьма   распространенным   является   способ   просмотра   с помощью анаглифических очков (см. Рис. 5).  Рис. 5 Анаглифические очки В   этих   очках   стекла   дополнительных   цветов,   например,   правое   — красное, левое — синее. Изображение также особенное: на одной и той же картинке   изображение   для   одного   глаза   нарисовано   синей   краской,   для другого — красной. Через анаглифические очки каждым глазом можно видеть только предназначенную для него картинку (см. Рис. 6). 10 Рис. 6 Пример двухцветной (анаглифной) стереограммы Этот способ весьма удобен, поскольку глаза не нужно сводить, они не напрягаются, а анаглифические очки — самые дешевые из существующих. Но есть  и недостатки: они плохо передают цвета изображения, и, кроме того, не всякую цветную картинку можно сделать объемной таким способом. Если   предыдущие   способы   можно   считать   универсальными   —   они годятся для просмотра стереопар как на бумаге, так и на экране монитора, то есть способ, который требует использования компьютера и так называемых «затворных» очков. Каждое стекло в них заполнено жидкими кристаллами, и под действием электрического сигнала становится непрозрачным. Остается только выводить на экран то правую, то левую картинку с той же частотой, с какой становятся непрозрачными стекла — то левое, то правое. Для   того   чтобы   показать   такое   стереоизображение   на   экране компьютера, необходимо специальное программное обеспечение (как правило, входящее   в   комплект   затворных   стереоочков),   согласовывающее   смену изображении на экране с изменением прозрачности стекол. Способ   поляроидов   основан   на   применении   светофильтров, поляризующих   свет.   Для   просмотра   нужны   очки   с   поляризационными стеклами,   одно   из   которых   пропускало   бы   горизонтально   поляризованный свет,   второе   ­   вертикально.   Перед   объективами   двух   проекторов,   один   из 11 которых передавал на экран изображение для левого, а другой ­ для правого глаза, также ставились аналогичные фильтры.   В своем исследовании я ограничился изучением только стереопар. Для   рассматривания   стереопар   фотографий   разработано   много   моделей стереоскопов. По принципу действия стереоскопы разделяются на [14]: ­ безлинзовые ­ это может быть любой лист бумаги между глаз или две трубочки из бумаги, визуально разделяющие картинки для разных глаз, или небольшая коробка, также визуально разделяющая картинки для глаз, чем и были самые первые стереоскопы  ­ призматические ­   используют   свойство   призмы   искривлять   луч   и перенаправлять   его,   что   позволяет   увидеть   большую   картинку   на   близком расстоянии ­ линзовые ­ позволяют увеличить небольшое изображение ­ зеркальные ­   позволяют   менять   подстройкой   зеркал   отражение изображений,   что   позволяет   смотреть   большую   картинку   на   близком расстоянии,   а   также   смотреть   перекрестную   пару   обычным   способом,   не сводя глаза к носу. Всегда используется система из двух зеркал для каждого глаза (всего 4 зеркала), чтобы изображение было прямым, а не зеркальным. 3. Получение стереоизображения в различных видах стереоскопов В практической части работы можно выделить следующие этапы: 1. Изготовление стереопар 2. Изучение конструкции стереоскопов 3. Изготовление стереоскопов 4. Просмотр фотографий с помощью этого прибора. Мы знаем, что стереопары получают путем стереоскопической съемки. Цель   стереосъемки   –   получить   два   изображения   сюжета,   сделанные   с различных точек зрения. У разных людей расстояния между центрами зрачков 12 глаз находятся в пределах 54­72 мм, в среднем принято расстояние 65 мм, поэтому  расстояние между объективами возьмем 65 мм Стереоскопическую съемку можно производить различными способами [2, c. 21]:  двукратной съемкой одного объекта с двух точек одним фотоаппаратом;  двумя   фотоаппаратами,   закрепленными   на   общей   площадке   или установленными   на   некотором   расстоянии   друг   от   друга,   но равноудаленными от объекта съемки;  специальными стереоскопическими фотоаппаратами;  обычным фотоаппаратом с использованием стереонасадок. Самый доступный нам и простой  прием – съемка одним фотоаппаратом (у нас это  простейший  Canon) с переменой опорной ноги. Первый снимок производится, пользуясь левой ногой в качестве опорной, второй снимок – перенеся   опору   на   правую   ногу.   Необходимо   наблюдать   за   совпадением границ   кадра,   за   отсутствием   перекосов.   В   связи   с   тем   что   снимки   при просмотре   в   стереоскопе   должны   быть   расположены   соответственно   (для правого глаза снимок, полученный правым объективом, для левого – левым). При   печати   карандашом   на   обороте   снимка   помечать,   для   какого   глаза предназначен снимок.  Далее приступим к изготовлению стереоскопа [15]. Мы   взяли   картонную   коробку   подходящего   размера.   Необходимые инструменты. Также нам потребуются две лупы. Все это можно увидеть на рис. 7 13 Рис. 7 Предметы, необходимые для изготовления стереоскопа Разместили   и   вырезали   отверстия.   Взяв   расстояние   между   центрами отверстий 60 мм. Отметили фокусное расстояние, в нашем случае 110 мм. Установили перегородку внутри, которая разделять изображения. Вставили стереопару. Безлинзовый стереоскоп готов (см. Рис. 8) Рис. 8 Безлинзовый стереоскоп  Проверил на бабушке ­все работает. На свою оценку не мог полностью положиться из­за временного нарушения конвергенции глаз.  После этого вставили линзы от луп и получили линзовый стереоскоп (см. Рис. 9).  Рис. 9 Линзовый стереоскоп Проверили, что стереокартинка появлялась так легко, что даже мне было не сложно её наблюдать.  Следующий этап ­ призматический прибор. В журнале "Наука и жизнь" я изучил инструкцию [7,  c. 108]. Взял коробку от   CD­диска (см. Рис. 10) и при помощи мамы вырезал нужные детали.  14 Рис. 10 Заготовки для призматических очков Соединил   их   клеем,     оставшемся   после   сбора   пластиковых   моделей. Высушил. Залил глицерином и  заклеил ( см. Рис. 11).  Рис. 11 Призматические очки   Поставил перекрёстную пару, как написано в журнале. Наблюдал стерео изображение.  Во   всех   трёх   случаях   ­   все   работает.   Один     глаз   видел   только   один снимок, а другой глаз—второй, а  человек видит «объёмное» изображение.  4. 3Д в нашей жизни Общеизвестно   применение   стереоскопического   анализа   аэро­ фотоснимков   в   геодезии,   картографии   и   военном   деле.   Особенно   важен стереоскопический анализ в военном деле.  Еще во времена ВОВ проводили подобный   анализ,   чем   определяли   исход   военных   операций.   Сейчас   такой анализ   делают   с   помощью   стереометра.   По   наземным   фотографиям,  аэроснимкам   и     космическим   фотоснимкам   проводят   анализ  различных  15 измерений   рассматривания. изображения   объектов в процессе их стереоскопического Стереоскопом   пользуются,   чтобы   открывать   новые   звезды   и   малые планетки   (астероиды).   Если   стереоскопически   сравнить   две   фотографии одного участка неба, полученные в разное время; стереоскоп сразу выделит астероид, если он имеется  сразу же укажет астроному звезду, изменившую свой блеск. Стереофотография применима и в криминалистике, когда необходимо зафиксировать   обстановку   места   происшествия,   при   наличии   большого количества объектов, расположенных близко друг к другу, и в ряде других случаев А стереомикроскопы, которые применяются в: биологии, геологии, та же криминалистика, микроэлектроника и  ювелирная промышленность.  В   медицине   стереоскопические   рентгеновские   аппараты   позволяют делать   снимки   рентгенографии   и   флюорографии   органов   грудной   клетки пациента в положении стоя в прямой, боковой и косых проекциях.   А   сразу   после   того,   как   были   изобретены   первые   телевизоры,   ученые начали   работать  над   реализацией   возможности   воспроизводить   объемное изображение. И вот наши стереопары в основе устройства стереодисплея.  Самым   же   простым   и   самым   замечательным   выражением   объемности пространства является то, что мы видим блеск предметов. Причина того, что мы видим блеск (по крайней мере одна из причин) в том, что полированная же поверхность отражает свет лишь в определенном направлении; и   один глаз человека, смотрящего на такую поверхность, получает от нее больше отра­ женных  в неа от неодинаковости изображений, получаемых правым и левым глазом,   как   уже   говорилось   в   параграфе   1,   возникает  стереоскопический блеск. Без стереоскопа эта причина едва ли могла бы нам открыться. А   самой   веселой,   но   очень   серьезной   областью   применения   стерео   стала рекламная индустрия. 16 Очень   популярны   рекламные   стереоскопы.   Стереоскоп­ шестигранник обеспечивает   сложение   в   плоскую   форму   удобную   для вложения в полиграфические издания, конверты или раздачи на промоакциях (размер   в   сложенном   виде   А5   150х100мм)   , отличается   невысокой стоимостью. Рис. 12 Рекламный  стереоскоп Стереопара (не сменная) вклеивается  внутрь на этапе изготовления. Такой стереоскоп может быть использован:  как вложение или вклейка в печатное издание  как приглашение вкладываемое в конверт для рассылки  для раздачи на промоакциях  как фирменный сувенир  как товарная продукция 17 Заключение  Сравнивая полученные результаты и впечатление от них, можно сделать  выводы:  1. Стереоизображение можно наблюдать в стереоскопах всех конструкций 2. Стеореоэффект оказался сильнее в линзовом и призматический  стереоскопе 3. При использовании призматического стеоеоскопа глаза испытывают  большее напряжения и быстрее устают. Мы   показали,   что   получить   стереоизображение   в   домашних   условиях, возможно.   На   этом   принципе   основывается   работа   3D  дисплеев.   Так   что увидев суть стереоээффекта, можно понять как устроены 3D  телевизоры и 3D фильмы. А также понять, почему этот эффект важен в стольких областях нашей жизни. 18 Список литературы 1. Валюс, Н. А. Стереоскопия [Текст] / Н.А. Валюс. – М.: Издательство  Академии Наук СССР, 1962. – 378 с.  2. Иванов, С. П. О цветной стереоскопической фотографии [Текст] /С.П.  Иванов. ­  М.: Правда, 1951. ­  40 с. 3. Ишлинский, А.Ю. Новый политехнический словарь [Текст] / А.Ю.  Ишлинский. – М:  Научное издательство «Большая Российская  энциклопедия», 2000. –672  с. 4. Перельман, Я.И. Занимательная физика [Текст] /Я.И. Перельман. – М.:  АСТ, 2015. 224 с. 5. Басов, Н. Зеркальные стереопары [Текст] / Н. Басов // Наука и жизнь. ­  2001. ­ N8 . –  C. 58­60 6. Величкин, С. Стереофотографии и видеофильмы на больших и  маленьких экранах [Текст] / С. Величкин // Наука и жизнь. ­ 2006. ­ N 2.  ­ С. 35­38. 7. Величкин, С.  Жидкостные призматические сгереоочки [Текст] / С.  Величкин // Наука и жизнь. ­ 2002. ­ N 2. ­ С. 108­110 8. Делео, Дженнифер. Прошлое и будущее 3D­технологий [Текст] / Дж.  Делео // PC Magazine. ­ 2009. ­ N 10. ­ С. 80­83 9. Козинцев, С. Стереоскопический Интернет [Текст] / С. Козинцев //  Наука и жизнь. ­ 2002. ­ N6. – С. 40­42 10. Пахомов, С. Стереоскопическое компьютерное "зрение" [Текст] / С.  Пахомов // КомпьютерПресс. ­ 2002. ­ N1. ­ С.142­143 . 11. https://ru.wikipedia.org  12. http://stereo­ru.livejournal.com/105132.html 13. http://www.megarender.ru/articles/stereo_history/ 14. http://www.3  d  ­  fan     .ru 19 15. http://modelist­konstruktor.com/svoimi_rukami/stereoskop­eto­prosto 20