Бурное развитие информационных технологий стимулировало всплеск интереса к трехмерному – стереоскопическому или 3D – отображению многомерной информации; однако прогресс в принципах построения стереоскопических изображений идет не столь быстро. Автор разработал и защитил пакетом из пяти патентных документов серию способов получения цветостереоскопических изображений, принципиально отличных от известных способов стереоскопии. Их он разделил на три группы, различающиеся принципиально: «стереопарный», движения или динамический, голографический. Внутри них он выделяет около 15 разновидностей, характеризующихся, например, по способу сепарации правого и левого изображений стереопары. Цветостереограмму строят из разноокрашенных элементов на одиночном плоском носителе, а воспроизводят посредством цветостереоскопа, содержащего один-два оптических элемента. В качестве цветостереоскопа используют две спектральные призмы, обращенные преломляющими углами в противоположные стороны, либо собирающую линзу диаметром 70-150 мм, либо две дифракционные решетки и др. Явление цветостереоскопии проявляется многообразно в виде:

спектрального цветостереоэффекта;
цветостереоэффекта насыщенности;
краевых цветостереоэффектов;
цветостереоэффекта малых черных элементов, контактирующих с цветными;
цветостереоэффекта малых цветных элементов, контактирующих с белыми;
цветостереоэффекта малых белых элементов, контактирующих с цветными.

Эти цветостереоэффекты позволяют создавать цветостереоскопические карты, подобные обычным картам с послойной гипсометрической окраской рельефа (общегеографические, физические, топографические, тематические), с сохранением всех их изобразительных, информационных, метрических, эксплуатационных свойств. На их основе возможно производство цветостереоскопических атласов и глобусов. Среди других вероятных областей использования цветостереоскопии можно назвать: дисплейную технику, спектрометрию, колориметрию, офтальмологию, живопись, рекламное дело, компьютерные игры, производство сувениров, игрушек. При тиражировании цветостереокарт и атласов возможна существенная экономия бумаги, красителей и трудозатрат на единицу информации по сравнению с обычными географическими картами. Возможно преобразование цветостереограммы в «стереопáрную» стереограмму и обратно, из чего следует вывод об их генетическом единстве.

Ключевые слова: стереоэффект, стереопара, стереограмма, стереомодель, стереоскоп, параллакс, дисперсия света, спектральная призма, собирающая линза, бинокулярное зрение, многомерная информация, картография, атлас, глобус, дисплей.

1. Известные способы получения стереоскопических изображений

Вероятно первый стереоскоп, а с ним и способ получения стереоскопических изображений, был создан известным английским физиком и изобретателем Чарльзом Уитстоном в 1838 г. [Демидов, 1987]. С той поры появилось немало разновидностей способов получения стереоизображений. Самый совершенный из них по качеству отображения, но и самый сложный по технической реализации – голографический – предложен английским физиком венгерского происхождения Деннисом Габором^{^[1]} в 1948 г. Всего можно насчитать около 15 известных на сегодня вариантов стереоскопии, различающихся технически.

Однако всё их многообразие можно разделить только на три группы, основанные на принципиально различных способах получения стереоскопических изображений. Вот их классификация, отличная от известных [Валюс, 1962].

1.1 «Стереопарный» способ

«Стереопарный» способ, основанный на раздельном одновременном наблюдении левым и правым глазами двух изображений (стереопары), полученных, например, фотосъемкой одного и того же объекта с левой и правой позиций, обеспечивающей возникновение продольных фотограмметрических параллаксов одноименных точек. Этот способ включает несколько вариантов, различающиеся методом сепарации для раздельного предъявления левому или правому глазу только левого или правого снимка.

1.1.1 Вариант пространственной сепарации

Вариант пространственной сепарации осуществляется посредством размещения перегородки между оптическими каналами левого и правого глаз либо с использованием линзового, зеркального, или зеркально-линзового стереоскопа, либо даже за счет тренировки бинокулярного зрения к раздельному восприятию двух изображений стереопары (рис. 1, 2).

2014 ЦСС СтеЭфф

Рис. 1. Получение стереоэффекта посредством линзового (А) и зеркального (Б) стереоскопов [Стереоскоп, 1976]. 1 – линзы; 2 и 2а – отражательные зеркала; 3а и 3б – одинаковые точки на правом и левом снимках стереопары; 4 – точка, в которой стереоскопически совмещены точки 3а и 3б; 5 – глаза наблюдателя

DSC_2383_ed

Рис. 2. Линзовый стереоскоп с набором стереослайдов

1.1.2 Вариант растровой сепарации

Вариант растровой сепарации, базируется на использовании призматических, цилиндрических, «перегородочных», щелевых растров, размещаемых поверх плоского носителя изображения, которое построено из чередующихся полосок левого и правого снимков, таким образом, чтобы на левых гранях призм (частях полуцилиндров, перегородок) левый глаз видел только левое изображение, а правый – на правых гранях – правое (рис. 3). По этому способу производят стереооткрытки, а также ранее демонстрировали «безочковое» стереокино.

2014 ЦСС Растр

Рис. 3. Принцип получения растровых стереоизображений: А – с цилиндрическим растром, Б – со щелевым растром [Власенко, 1978]. ЛГ – левый глаз наблюдателя; ПГ – правый глаз наблюдателя; Л – полоски левого изображения стереопары; П – полоски правого изображения стереопары

Оригинальной, но технически сложной в реализации, разновидностью растрового варианта сепарации является липмановская^{^[2]} интегральная фотография [Власенко, 1978], использующая линзовые растры, ставшая наряду с липмановским же способом получения интерференционных цветных изображений, теоретической и технической основой голографии.

Современные компьютерные апертурно-растровые автостереомониторы, используемые без очков, принципиально также относятся к разновидностям реализации стереопáрного способа, а по методу сепарации восходят к варианту растровой сепарации со щелевым или перегородочным растром (рис. 3Б). В них применяется эффект барьера параллакса, создаваемый дополнительным встроенным жидкокристаллическим экраном. В режиме моно он полностью прозрачен, а при активации стереорежима представляет собой сетку из вертикальных непрозрачных полос (перегородок), через которые чередуются полоски левого и правого изображений стереопары [Зинченко и др.].

1.1.3 Вариант спектральной сепарации

Вариант спектральной сепарации, на которой основан метод анаглифов, использует двухцветные, совмещенные на одном носителе, изображения стереопары; при этом, например, левое изображение окрашено в красный цвет, а правое в – дополнительный к нему – голубой, а стереоскоп содержит два светофильтра – голубого цвета для одного глаза и красного – для другого; при этом каждый глаз видит только одно изображение – левое или правое (рис. 4).

2014 ЦСС Анагл

Рис. 4. Анаглифическая стереограмма, полученная совмещением на одиночном плоском носителе двух изображений стереопары, окрашенных во взаимно дополнительные цвета – красный и голубой и очки для воспроизведения стереомодели с красным и голубым светофильтрами

1.1.4 Вариант поляризационной сепарации

Вариант поляризационной сепарации обеспечивается разделением двух, совмещенных посредством диа- или кинопроектора на одном экране, различно поляризованных (во взаимно перпендикулярных плоскостях) изображений стереопары, с использованием стереоочков с двумя различно ориентированными поляризационными светофильтрами. Поляризационная сепарация применяется в современном стереоскопическом (3D) кино и стереотелевидении (рис. 5).

2014 ЦСС Поляриз

Рис. 5. 3D телевизор, используемый для просмотра объемного изображения с поляризационными стереоочками

1.1.5. Вариант временнóй сепарации

Вариант временнóй сепарации осуществляется с помощью жидкокристаллических затворных стереоочков, синхронизированных по частоте с компьютерным монитором, поочередно предъявляющим (с частотой 60 Гц) то левое, то правое изображение стереопары. Этот вариант расширяет технические возможности применения стереоскопии в информационных технологиях, но принципиально, всё же, основан на известном «стереопáрном» способе стереоскопии [Стереоочки…].

1.2 Стереоэффект движения

Стереоэффект движения (или динамический, или оглядывания) реализуется при прямо- или криволинейном движении наблюдателя относительно объекта или его стереоскопического изображения, либо самого объекта, или его стереоизображения относительно наблюдателя. Он основан на инерционности зрения, при которой виденное ранее изображение, сохраняется некоторое время в мозгу и сопоставляется с новым, благодаря чему, оцениваются различия в удаленности частей наблюдаемой картины – подобно тому, как пассажиром движущегося поезда воспринимается трехмерное изображение, «проплывающего» за окном ландшафта. Стереоэффект движения (оглядывания) действует даже при отсутствии бинокулярного зрения. Он используется, например, для стереоскопического отображения рельефа на космоснимках интернет-сервиса Google Earth.

1.3 Голографический способ

Голографический способ получения трехмерных изображений основан на интерференции в эмульсионном слое толстослойной фотопластинки двух когерентных световых волн – опорной, поступающей на фотопластинку непосредственно с лазера, и предметной (или объектной) – достигающей фотослоя с разными по величине задержками, определяемыми различиями в удаленности частей объемного «голографируемого» предмета [Уиньон, 1980]. Трехмерное изображение создается за счет «видения» предмета разными частями, соразмерной предмету фотопластинки, под разными углами (рис. 6). Ранее воспроизведение голограммы выполнялось освещением ее монохроматическим когерентным излучением, а теперь это возможно с использованием солнечного и другого интегрального света.

2014 ЦСС ГологрСх

Рис. 6. Схема получения (А) и воспроизведения (Б) голограммы [Федоров, Цибулькин, 1989]. 1 – зеркало; 2 – объект съемки; 3 – объектив; 4 – лазер; 5 – объектная или предметная волна: 6 – опорная волна; 7 – фотопластинка; 8 – наблюдатель; 9 – источник света

2. Сущность цветостереоэффекта

В конце XX века разработана серия способов получения цветостереоскопических изображений, основанных на принципиально отличном от известных способов стереоскопии, – физико-психофизиологическом явлении цветостереоскопии [Важенин, 1989 а, б, 1990, 1991, 1995, 2013]. Для получения цветостереоэффекта необходимы: бинокулярное зрение; цветостереограмма, представляющая собой принципиально одиночное («нестереопáрное») обычно двухмерное, плоское (и не только) изображение, и цветостереоскоп, содержащий один-два оптических элемента. Возможно получение цветостереоэффекта и без стереоскопа.

Скудные упоминания о цветостереоэффектах имеются лишь в некоторых периодических изданиях [Уолкер, 1987]. Для них характерны фрагментарность информации и ошибочность суждений, происходящие от неполноты понимания сущности этого явления. Порой его относят даже к псевдостереоскопии.

Условиями большинства известных разновидностей способов получения стереоизображений являются бинокулярное зрение и фотограмметрические параллаксы одноименных точек. В «стереопáрных» способах параллаксы возникают за счет съемки объекта с разных точек зрения, различающихся угловым параллаксом. В голографическом способе линейные параллаксы образуются благодаря угловым параллаксам, по отношению к разноудаленным элементам объекта, разных участков фотопластинки, имеющей размер, сравнимый с размером «голографируемого» объекта.

Буквально в одном шаге от открытия явления цветостереоскопии был знаменитый английский физик и математик Исаак Ньютон, когда во второй половине XVII в. производил опыты по преломлению света спектральной призмой (рис. 7) [Тарасов, Тарасова, 1982]. Он видел, что изображение синей половинки бумаги, при наблюдении ее сквозь трехгранную призму (рис. 7, А1), отклоняется от реального положения на бόльшую величину, чем красной. Повернув призму на 180º (рис. 7, А2), он пришел к выводу, о том, что смещение изображений обеих половинок происходит в сторону преломляющего угла. Затем, пропуская солнечный свет сквозь призму, он увидел разложение его в спектр за счет различия углов преломления разноцветных лучей (рис. 7Б). Но если бы он взял две призмы, расположил их горизонтально (рис. 7В), и посмотрел на ту же полоску бумаги одновременно двумя глазами, то увидел бы цветостереомодель, в которой красная часть полоски располагается выше синей. Но этому, вероятно, помешало то, что тогда еще не было представления о стереоскопии вообще, а впервые о ней стало известно, по-видимому, как уже отмечалось, лишь в первой половине XIX в.

рис

Рис. 7. Опыты И. Ньютона со спектральными призмами (А, Б) и получение цветостереомодели (В) за счет возникновения параллаксов одноименных точек вследствие различия углов преломления разноцветных лучей при условии наблюдения сквозь две призмы с преломляющими углами, обращенными в противоположные стороны

Запись цветостереограммы производится на одиночном, обычно плоском (но не только) носителе: бумаге, мониторе, глобусе и др. (рис. 8). При этом информация о высотном распределении элементов рельефа кодируется вариацией цвета по площади двухмерного изображения. Воспроизведение цветостереомодели по цветостереограмме выполняется с использованием простого цветостереоскопа, содержащего два диспергирующих оптических элемента – по одному в каждом оптическом канале. Направления диспергирования диспергирующих оптических элементов должны быть обращены в противоположные стороны.

2013 ЦСК отобрРель СпектЦв

Рис. 8. Получение цветостереомодели с использованием спектрального цветостереоэффекта. 1 – глаза наблюдателя; 2 – цветостереоскоп в виде оптической системы из двух спектральных призм; 3 – направления диспергирования призм; 4 – цветостереограмма, построенная из разноокрашенных элементов, где: ф – фиолетовый, с – синий, г – голубой, з – зеленый, ж – желтый, о – оранжевый, к – красный элементы; λ – длина световых волн в микрометрах; 0 (ноль) на графике – уровень черно-белого контакта, совпадающий с плоскостью цветостереограммы

Итак, фотограмметрические параллаксы в цветостереоскопии обеспечиваются разными величинами углов преломления разноцветных лучей, исходящих от разноокрашенных элементов цветостереограммы – при условии направлений диспергирования в левом и правом оптических каналах, обращенных в противоположные стороны, – а вариация величины углов преломления разноцветных лучей, описывается упомянутым ньютоновским законом дисперсии света.

3. Цветостереоскопы

В качестве цветостереоскопа могут быть использованы:

система из двух спектральных призм с преломляющими углами или направлениями диспергирования, обращенными в противоположные стороны, например, левой – влево, а правой – вправо (рис. 9);
собирающая линза диаметром 70-150 мм, с фокусным расстоянием 100-300 мм, сквозь которую можно смотреть одновременно двумя глазами^{^[3]};
«плоская» линза Френеля с такими же параметрами;
система из двух сегментов одинаковых собирающих либо рассеивающих линз с направлениями диспергирования, обращенными в противоположные стороны;
система из двух дифракционных решеток, с частотой для видимого диапазона спектра – 300-1 000 штрихов на миллиметр, с направлениями диспергирования, обращенными в противоположные стороны.

2013 ЦСК отобрРель ЦСС Цв

Рис. 9. Варианты цветостереоскопов. 1 – глаза наблюдателя; 2 – цветостереоскоп в виде оптической системы из двух спектральных призм; 3 – направления диспергирования призм; 4 – цветостереограмма, построенная из разноокрашенных элементов; 5-8 – другие типы стереоскопов в виде: 5 – собирающей плоско-выпуклой линзы, 6 – линзы Френеля – «плоского» оптического аналога предыдущей, 7 – двух сегментов собирающей линзы, 8 – двух сегментов рассеивающей линзы, 9 – двух дифракционных решеток

Принципиально возможно неограниченное увеличение масштаба цветостереомодели по вертикали посредством увеличения расстояния между цветостереограммой и цветостереоскопом. При этом угловые параллаксы преобразуются в линейные, возрастающие пропорционально увеличению расстояния. Уменьшение масштаба по всем трем осям, происходящее вследствие удаления стереограммы от наблюдателя, можно компенсировать использованием известных увеличивающих оптических систем.

4. Разновидности цветостереоэффекта

спектральный цветостереоэффект;
цветостереоэффект насыщенности;
краевые цветостереоэффекты;
цветостереоэффект малых черных элементов, контактирующих с цветными;
цветостереоэффект малых цветных элементов, контактирующих с белыми;
цветостереоэффект малых белых элементов, контактирующих с цветными.

4.1 Спектральный цветостереоэффект

Спектральный цветостереоэффект проявляется при построении цветостереограммы из элементов, окрашенных в насыщенные спектральные цвета (рис. 8). В цветостереомодели разноокрашенные элементы размещают в зависимости от длины волн окраски – чем больше длина волн, тем выше. При этом элементы, окрашенные в цвета из коротковолновой части видимого спектра (от фиолетового до зеленого) расположатся ниже среднего черно-белого уровня, совпадающего с плоскостью двухмерного изображения (цветостереограммы); а желтый, оранжевый, красный – выше; желто-зеленый сравняется с уровнем черно-белых элементов. Превышение красного элемента над фиолетовым, в случае использования в качестве стереоскопа двукратной собирающей линзы с фокусом 200 мм, диаметром 100 мм, составляет около 2 мм.

4.2 Цветостереоэффект насыщенности

Цветостереоэффект насыщенности возникает, когда цветостереограмму строят из разноокрашенных элементов, имеющих стабильный цветовой тон (λ = const) и переменную насыщенность (рис. 10). В цветостереомодели разноокрашенные элементы размещаются:

для цветов из коротковолнового диапазона видимого света (λ < 0,55 мкм) – чем больше насыщенность, тем ниже;
для цветов из длинноволнового диапазона видимого света (λ > 0,55 мкм) – чем больше насыщенность, тем выше.

2014 ЦСС Насыщенн

Рис. 10. Получение цветостереомодели с использованием цветостереоэффекта насыщенности. 1 – глаза наблюдателя; 2 – цветостереоскоп в виде оптической системы из двух спектральных призм; 3 – направления диспергирования призм; 4 – цветостереограмма, построенная из двух разноокрашенных элементов (один с длиной волн менее 0,55 мкм, например, фиолетовый; второй – с длиной волн более 0,55 мкм, например, красный) переменной насыщенности; Б – белый элемент; λ – длина световых волн в микрометрах; 0 (ноль) на графике – уровень черно-белых элементов, совпадающий с плоскостью цветостереограммы

Превышение насыщенного красного элемента двухцветной (красно-фиолетовой) цветостереомодели над насыщенным фиолетовым, разумеется, такое же, как и в спектральной стереомодели – около 2 мм.

4.3 Краевые цветостереоэффекты

Краевые цветостереоэффекты получают на контактах цветных элементов цветостереограммы друг с другом, а также с белыми и черными элементами. Они проявляются многообразно при разных сочетаниях цветов (рис. 11).

Краев Эфф

Рис. 11. Краевые цветостереоэффекты

4.4 Цветостереоэффект малых черных элементов

Цветостереоэффект малых черных элементов, контактирующих с цветными, проявляется в строгом следовании по высоте в цветостереомодели малых черных элементов – точек и линий размером около 10-20 крат к разрешению глаза в данной оптической системе – за цветными элементами, как в спектральном стереоэффекте (рис. 12А), так и в цветостереоэффекте насыщенности (рис. 12Б).

2014 ЦСС МалЧернДва

Рис. 12. Цветостереоэффект малых черных элементов, следующих по высоте за спектральными цветами (А) и за изменением насыщенности спектральных цветов (Б)

4.5 Цветостереоэффект малых цветных элементов

Цветостереоэффект малых цветных элементов, контактирующих с белыми, обеспечивается созданием цветостереограммы из малых элементов (размером около 10-20 крат к разрешению глаза в данной оптической системе), окрашенных в насыщенные цвета и имеющих непосредственные контакты с белыми элементами (рис. 13).

Закономерность высотного распределения малых цветных элементов в цветостереомодели иная, нежели в случае крупных цветных элементов. Так, элементы, окрашенные в цвета из коротковолнового спектра, размещаются снизу вверх в порядке – от фиолетового к зеленому, и все лежат выше среднего черно-белого уровня; а элементы, окрашенные в цвета из длинноволнового диапазона спектра, размещаются снизу вверх в порядке – красный, оранжевый, желтый и все находятся ниже черно-белого уровня. Каждая малая цветная точка имеет в цветостереомодели вид конуса, изображенного на плоском графике узким клином (рис. 13, позиции 2, 7), но поскольку они очень малы, то воспринимаются в качестве точек, нанизанных на графики (рис. 13, позиции 1, 6).

2014 ЦСС МалЦв-Бел

Рис. 13. Цветостереоэффект малых цветных элементов, контактирующих с белыми. 1 – график изменения высоты контактирующих с белыми цветных малых (1-20 крат к разрешению глаза в данной оптической системе) элементов коротковолнового (λ<0,55 мкм) диапазона спектра в зависимости от длины волн; 2 – графики изменения высот каждого из цветных малых элементов коротковолнового (λ<0,55 мкм) диапазона спектра на контактах с белыми элементами; 3 – графики изменения высот каждого из цветных крупных (более 20 крат к разрешению глаза) элементов коротковолнового диапазона, (λ<0,55 мкм) на контактах с белыми элементами; 4 – график изменения высоты цветных крупных (более 20 крат к разрешению глаза) элементов стереомодели в зависимости от длины волн спектра; 5 – графики изменения высот каждого из цветных крупных (более 20 крат к разрешению глаза) элементов длинноволнового диапазона (λ>0,55 мкм) на контактах с белыми элементами; 6 – график изменения высоты контактирующих с белыми цветных малых (1-20 крат к разрешению глаза) элементов длинноволнового (λ>0,55 мкм) диапазона спектра в зависимости от длины волн; 7 – графики изменения высот каждого из цветных малых (1-20 крат к разрешению глаза) элементов длинноволнового диапазона (λ>0,55 мкм) спектра на контактах с белыми элементами

4.6 Цветостереоэффект малых белых элементов

Цветостереоэффект малых белых элементов, контактирующих с цветными, проявляется в том, что белые малые (1-20 крат к разрешению глаза в данной оптической системе) элементы располагаются по высоте в стереомодели следующим образом: а) для коротковолнового (λ<0,55 мкм) диапазона спектра малые белые элементы возвышаются над насыщенными цветными, с которыми контактируют; б) в длинноволновом (λ>0,55 мкм) диапазоне малые белые элементы опускаются ниже насыщенных цветных, с которыми контактируют (рис. 14).

БелМалСпектр

Рис. 14. Цветостереоэффект малых белых элементов, контактирующих с насыщенными цветными

5. Области возможного применения цветостереоскопии

5.1 Картография

Это явление может использоваться для создания цветостереоскопических карт, подобных обычным картам с послойной гипсометрической окраской рельефа (общегеографических, физических, топографических и некоторых тематических) с сохранением всех их изобразительных, информационных, метрических, эксплуатационных свойств; а также для производства на этой основе цветостереоскопических атласов и глобусов (рис. 15, 16).

рис

Рис. 15. Цветостереоскопическая географическая карта^{^[4]} (А), впервые созданная на персональном компьютере и макет цветостереоскопического атласа (Б). 1 – цветостероеоскопическая карта (цветостереограмма); 2 – плоская собирающая линза Френеля; 3 – складной каркас атласа; 4 – листы цветостереокарт атласа

рис

Рис. 16. Макет цветостереоскопического глобуса. 1 – собирающая линза диаметром 70-150 мм, установленная на подвижном кронштейне; 2 – глобус

Мировой ежегодный тираж географических (пока не цветостереоскопических) карт достигает десятков и сотен миллионов экземпляров. Тиражирование цветостереокарт возможно с применением стандартных полиграфических, цифровых, фотографических технологий и оборудования.

5.2 Дисплейная техника

Дисплейная техника – цветостереоскопические устройства для многомерного визуального контроля за ходом быстротекущих процессов и для многомерного визуального представления больших, сложно построенных массивов информации, например, в аэро- и космической навигации, научных исследованиях и т.п.

5.3 Другие вероятные области

Другие вероятные области – спектрометрия, колориметрия, цветоведение, физиология цветового и бинокулярного зрения, офтальмология, живопись, рекламное дело, производство сувениров, игрушек, компьютерные игры.

5.4 Практическая реализация явления цветостереоскопии

Практическая реализация явления цветостереоскопии потребовала разработки принципов построения шкал гипсометрической окраски цветостереокарт:

послойной гипсометрической окраски рельефа цветостереокарт с использованием спектрального цветостереоэффекта;
послойной гипсометрической окраски рельефа цветостереокарт с использованием цветостереоэффекта насыщенности;
послойной гипсометрической окраски рельефа цветостереокарт с использованием суммирования спектрального цветостереоэффекта и цветостереоэффекта насыщенности;
цветостереоэффекта малых цветных элементов, контактирующих с белыми и цветостереоэффекта малых белых элементов, контактирующих с цветными, для создания карт с использованием полиграфических и электронных растровых заливок;
краевых цветостереоэффектов для изображения обрывов и уступов;
цветостереоэффекта малых черных элементов, контактирующих с цветными, для изображения негипсометрической нагрузки карт (гидросети, грунтов, растительности, ледников, коммуникаций, населенных пунктов и т.п.).

Всё это обеспечило создание действующих образцов цветостереокарт, макетов цветостереоскопического атласа и глобуса (рис. 15, 16).

5.5 Дополнительные возможности цветостереоскопии

Многообразие проявления цветостереоскопии обеспечивает создание цветостереомоделей не только с послойной гипсометрической окраской, но и с плавными (не ступенчатыми) вариациями спектральных цветов и насыщенности цвета по высоте (глубине) изображаемого пространства. Таким способом можно изготавливать и географические карты, и другие изображения.

Подбирая – с учетом закономерностей проявления цветостереоэффекта – цветá элементов изображения, создаваемого либо цифровыми технологиями, либо живописными методами, либо преобразуя цветовую гамму уже имеющихся изображений, можно получать цветостереограммы, которые будут, не только более информативны, но и выглядеть более эффектно сравнительно с обычными цветными изображениями (рис. 17), что ценно, например, в живописи и рекламном деле. Такие свойства позволяют дополнительно расширить технологические возможности создания и применения цветостереограмм.

рис

Рис. 17. Примеры цветостереоскопических изображений: А – «случайное» фото с удачной цветовой гаммой, воспринимаемое как цветостереограмма, почти совсем правильно передающая глубину отображаемого пространства; Б – фото, полученное посредством подбора цветов при съемке и последующего цветового редактирования; В – условно цветное изображение, преобразованное заливкой готового фотоснимка цветами переменного тона и насыщенности. Безусловно, возможно и более качественное построение цветостереограмм, чем представленные опытные образцы, имеющие некоторые недостатки в пластике отображения трехмерных объектов

Цветостереомодель можно воспроизводить по цветостереограмме и без специального цветостереоскопа, например, наблюдая ее через обычные очки с минусовыми (рассеивающими) линзами. В таком случае глаза смотрят на близко расположенную цветостереограмму сквозь внутренние (ближние к переносице) части стекол, как изображено на позиции 8 рисунка 9.

Более того, при некоторой тренировке это возможно делать вообще без ничего – просто стараясь глядеть на цветостереограмму параллельными лучами визирования левого и правого глаз. Тогда наблюдение осуществляется через крайние части хрусталиков глаз (которые также являются линзами), как это показано на позиции 7 рисунка 9. Такие свойства цветостереоскопии не только расширяют технологические возможности ее применения для отображения многомерной информации, но и, вероятно, могут служить основой для использования ее в офтальмологии, например, для контроля и коррекции бинокулярного зрения.

На современном уровне развития цифровых технологий цветостереоскопия может использоваться для отображения многомерной информации как по трем пространственным осям координат, так и дополнительно по четвертой – временнόй – оси для наблюдения за изменением динамичных быстротекущих процессов.

6. Выгоды от использования цветостереоскопии

Они определяются: новизной, занимательностью и красочностью цветостереоизображений; простотой их полиграфического и электронного тиражирования; низкой капиталоемкостью производства; потенциально очень большими тиражами цветостереокарт и другой цветостереопродукции; возможностью многократной экономии бумаги, красителей и трудозатрат на единицу информации при производстве цветостереокарт и атласов. Такая экономия происходит от использования в качестве цветостереоскопа двукратной собирающей линзы, которая увеличивает изображение цветостереограммы в два раза линейно и в 4 по площади, что позволяет уменьшить форматы цветостереокарт в два раза линейно или в 4 раза по площади по сравнению с обычными географическими картами.

7. Некоторые выводы

Как было отмечено, при наблюдении разноокрашенной полоски бумаги из опытов И. Ньютона (рис. 7) сквозь две призмы двумя глазами, можно увидеть элементарную цветостереомодель, в которой красная половинка бумаги будет возвышаться над синей. Если же взять уже не собственно ньютоновскую полоску бумаги и не реальные призмы, а только их плоское изображение на рис. 7В и поместить его (предварительно разрезав на две половинки) под обычным линзовым или зеркальным стереоскопом (рис. 1, 2) на расстоянии базиса стереоскопа, то мы также увидим ту же самую элементарную цветостереомодель. Причем, теперь уже можно будет наблюдать ее, преобразовав изображение полоски, например, сделав обе половинки одинаково серыми или белыми, или красными, или даже поменяв цвета на полоске местами. Линейные параллаксы одноименных точек, зафиксированные на рис. 7В, будут обеспечивать наблюдение стереомодели вне зависимости от любых цветовых преобразований ньютоновской полоски, поскольку это будет уже не цветостереограмма, а обычная «стереопáрная» стереограмма, какие еще до изобретения фотографии рисовал Ч. Уитстон для демонстрации явления стереоскопии.

Сфотографировав цветостереограмму (рис. 15А) сквозь две спектральные призмы, размещенные, как на рис. 8, – преломляющими углами в противоположные стороны – с левой и правой точки, получим два снимка, составляющие стереопару, по которой можно воспроизводить стереомодель (с помощью, например, зеркального стереоскопа), но уже не цветостереоскопическую, а обычную – «стереопáрную».

Разумеется, возможно и обратное преобразование «стереопáрной» стереомодели в цветостереоскопическую посредством стандартной рисовки горизонталей на стереопаре [Кислов, 1979; Краснощекова и др., 1978], наблюдаемой под топографическим стереометром (или обычным зеркальным стереоскопом) и выполнения последующей послойной гипсометрической окраски рельефа с использованием всех разновидностей проявления цветостереоскопии. Возможность таких преобразований свидетельствует о генетическом единстве этих разновидностей стереоскопии, обеспечиваемом бинокулярным зрением и параллаксами одноименных точек стереограммы, несмотря на принципиальные различия в способах создания стереомоделей.

В данной статье предлагается новая классификация способов получения стереоизображений, отличная от известных, например, представленной в фундаментальной монографии Н.А. Валюса [1962]. Вводятся новые их разновидности: стереоэффект движения (или динамический, или оглядывания), а также голографический эффект. Вместе с цветостереоскопией такая классификация насчитывает четыре принципиально различных способа получения стереоскопических изображений с многочисленными, различающимися технически, вариантами их реализации, которые описаны в первом разделе. Вместе с тем возникает необходимость дополнительной аргументации этого нововведения.

Так, стереоэффект движения (или динамический, или оглядывания) имеет один, казалось бы, недостаток, затрудняющий отнесение его к полноценным способам стереоскопии. Для реализации этой разновидности стереоскопии не требуется бинокулярное зрение наблюдателя, совершенно необходимое, например, в стереопáрном способе. То же самое относится и к голографии, вдобавок к тому еще и стоящей, будто бы, особняком от других способов стереоскопии из-за сложной техники получения голограмм.

Однако если обратиться к этимологии сложных слов на основе греческого слова «стерео», в том числе и слова «стереоскопия», то получается, что они никоим образом не указывают на какую-либо причастность или необходимость бинокулярного зрения для реализации явления стереоскопии. Основной смысл компонента «стерео» во всех таких терминах заключается в значении «объемный», как это зафиксировано, например, в статье «Стерео» из Большой советской энциклопедии: «CTEPEO... (от греч. stereos – твёрдый, объёмный, телесный, пространственный), часть слов, указывающая: 1) на объёмность или на наличие пространственного распределения (напр., стереометрия, стереокино); 2) на твёрдость, постоянство (напр., стереотип)».

Представление об объемности рельефа Земли очень хорошо выражено с помощью эффекта движения (или динамического, или оглядывания), например, в интернет-сервисе Google Earth, где за счет поворотов наблюдателем космического изображения земной поверхности вокруг вертикальной оси и/или отклонения от нее в разные стороны, производится обзор, например, холма или горной долины со всех сторон и при этом эффективно оценивается разноудаленность элементов такой стереомодели от наблюдателя или какого-либо уровня в стереомодели, например, моря. В других же интернет-сервисах с космоснимками Земли, например в SASPlanet изображение двухмерное – плоское – по нему невозможно судить об объемности рельефа – о превышениях одних его точек над другими. Объемность изображения рельефа в Google Earth можно наблюдать не только двумя глазами, но и одним. При этом, сделав два снимка одного и того же участка земной поверхности с экрана монитора с некоторым сдвигом (на величину стереобазиса), можно получить стереопару, которая пригодна для объемного наблюдения через обычный стереоскоп. Это обстоятельство служит доказательством генетического единства динамического стереоэффекта с другими разновидностями стереоскопии, например, «стереопáрными».

Голография, бесспорно, также служит для получения объемного изображения, каких-либо реальных объектов, но иными техническими средствами по сравнению с другими разновидностями стереоскопии. Голограмму тоже можно оглядывать не только бинокулярно, но и одним глазом, а еще и получать стереопары, например, путем фотосъемки её с разных ракурсов. Эти свойства позволяют судить о родстве трёх отмеченных в статье способов стереоскопии («стереопáрного», движения и голографии). Все они служат для получения стереограмм реальных объемных объектов и их воспроизведения.

Цветостереоскопия на этом фоне представляет собой четвертый, технически и принципиально отличный от известных, способ получения стереограмм. Как уже отмечалось возможно преобразование цветостереомодели в «стереопáрную» и обратно. С голографией её роднит принципиальное отсутствие стереопары. Всё это определяет генетическое единство цветостереоскопии с другими способами.

Следует также упомянуть известное представление о псевдостереоскопии, оставшееся вне новой классификации. Этого явления, как такового, в природе, пожалуй, нет. Данный термин выражает, скорей всего, эмоциональную оценку чего-то не очень понятного. Однако, есть стереоскопия, в разной мере точно объемно отображающая реальную действительность. При этом вполне можно наблюдать псевдостереомодель или псевдостереоизображение, например, в том случае, когда воспроизводимая стереограмма не соответствует по пластике рельефа (распределению превышений или удалений) отображаемому объекту. Так, если наблюдать какое-либо цветное изображение объемного объекта через двукратную собирающую линзу, например фотографию деревьев в начале осени, то красные и желтые листья – в соответствии с закономерностями цветостереоскопии – окажутся в такой стереомодели ближе, чем зеленые. При этом само явление цветостереоскопии никак не может быть отнесено к псевдостереоскопии, поскольку, построенная, с учетом закономерностей цветостереоскопии, цветостереограмма способна отображать реальную пластику объемного объекта, причем, с достаточной точностью для её практического использования.

В заключение можно отметить, что независимо от технических различий в создании стереограмм и в их воспроизведении, все четыре способа служат для стереоскопической, т.е. объемной визуализации реальной действительности или даже каких-либо виртуальных объектов. А представление о псевдостереоскопии сформировалось в те времена, когда мало было известно об иных способах стереоскопии кроме «стереопáрного».

Список литературы

1. Важенин Б.П. Способ получения стереоскопических изображений // Авторское свидетельство СССР на изобретение № 1477129 от 03.01.1989 г.

2. Важенин Б.П. Способ получения цветостереоскопических изображений // Авторское свидетельство СССР на изобретение № 1559927 от 22.12.1989 г.

3. Важенин Б.П. Способ получения цветостереоизображения // Авторское свидетельство СССР на изобретение № 1635768 от 15.11.1990 г.

4. Важенин Б.П. Способ получения цветостереоскопического изображения // Авторское свидетельство СССР на изобретение № 1672846 от 22.04.1991 г.

5. Важенин Б.П. Способ получения цветостереомодели // Патент РФ на изобретение № 2051399 от 27.12.1995 г.

6. Важенин Б.П. Цветостереоскопическое отображение рельефа // Геоморфология и картография: материалы XXXIII пленума Геоморфологической комиссии РАН. Саратов: Изд-во Сарат. у-нта, 2013. С. 488-492.

7. Валюс Н.А. Стереоскопия. М.: Изд-во АН СССР, 1962. 379 с.

8. Власенко В.И. Техника объемной фотографии. М.: Искусство, 1978. 100 с.

9. Демидов В.Е. Как мы видим то, что видим. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Знание, 1987 (Наука и прогресс). 240 с.

10. Зинченко О.Н., Смирнов А.Н., Чекурин А.Д., компания «Ракурс». Обзор современных жидкокристаллических стереомониторов // pgeo.ru/articles/nauch_articles/pgeo.ru_review_stereomonitors.pdf

11. Кислов В.В. Фотограмметрия. Учебник для вузов. М.: Недра, 1979. 215 с.

12. Стереоочки затворного типа // http://www.news3d.biz/stereo-ochki-zatvornogo-tipa/

13. Стереоскоп // Большая советская энциклопедия: в 30 т. / Гл. ред. А.М. Прохоров: 3-е изд. М.: Сов. энцикл. Т. 24, 1976. С. 496, 497.

14. Тарасов Л.В., Тарасова А.Н. Беседы о преломлении света. / Под ред. В.А. Фабриканта. М.: Гл. ред. физ-мат. лит., 1982. 176 с.

15. Уиньон М. Знакомство с голографией. Пер. с англ. А.Н. Кондрашовой / Под ред. и с предисл. А.И. Ларкина. М.: Мир, 1980. 191 с.

16. Уолкер Дж. Гиперскоп и псевдоскоп позволяют исследовать, как человек воспринимает глубину пространства. В мире науки, 1987. № 1. С. 90-95.

17. Федоров Б.Ф., Цибулькин Л.М. Голография. М.: Радио и связь, 1989. 144 с.

18. Фотограмметрия / И.А. Краснощекова, О.Б. Нормандская, А.М. Кислова, В.В. Кислов. М: Недра, 1978. 471 с.

Color Stereoscopic Presentation of Multidimensional Information

B.P. Vazhenin

North-East Interdisciplinary Scientific Research Institute Far Eastern Branch Russian Academy of Sciences (NEISRI FEB RAS), Magadan

vazhenin.bp@mail.ru

Abstract

Nowadays, a heavy growth of information technologies gives a strong impetus to stereoscopic or 3D presentation of multidimensional data, but, however, stereoscopic presentation methods are not developing so fast. The author has developed a set of copyright-protected methods to produce color stereoscopic images, which differ basically from existing stereoscopic techniques. He distinguishes the latter ones into three peculiar groups as follows: “stereopair”, moving or dynamic, and holographic one. Within these groups, the author establishes about 15 varieties, which can differ, for example, by separation technique of the stereopair’s right and left images. The author creates a color stereogram from differently colored elements on a single flat carrier and reproduces it by using a color stereoscope with one or two optical elements. As a stereoscope, he uses two spectral prisms with their refraction angles facing opposite, or, a collecting lens with diameter 70-150 mm, or two diffraction gratings, etc. The color stereoscopy effects manifest themselves widely, as follows:

spectral color stereoscopic effect;
saturation color stereoscopic effect;
edge color stereoscopic effect;
color stereoscopic effect from small black elements contacting colored ones;
color stereoscopic effect from small colored elements contacting white ones;
color stereoscopic effect from small white elements contacting colored ones.

These color stereo effects allow people to make color stereoscopic maps like common ones having a layered hypsometric relief painting (geographic, physical, topographic and special maps), with all their cartographic, informative, metrical and usable characteristics preserved. Color stereoscopic atlases and globes can be made on this basis. Color stereoscopy methods can be also used in display presentation techniques, spectrometry, colorimetry, ophthalmology, painting, advertising business, computer games, souvenirs and toys manufacturing. Production of color stereo maps and atlases allows for a significant saving in paper, paints and labor expenditures per information unit, as compared with typical geographic maps. A color stereogram can be transformed into a “stereopair” stereogram and back again, which allows the author to suggest their genetic unity.

Keywords: stereo effect, stereopair, stereogram, stereo model, stereoscope, parallax, light dispersion, spectral prism, collecting lens, binocular vision, multidimensional information, cartography, atlas, globe, display.

References

1. Vazhenin B.P. (1989). Sposob polucheniya stereoskopicheskikh izobrazhenii [A method for producing stereoscopic images]. inventors certificate USSR № 1477129 from 15.01.1989 [in Russian]

2. Vazhenin B.P. (1989). Sposob polucheniya tsvetostereoskopicheskikh izobrazhenii [A method for producing colored stereoscopic images]. inventos certificate USSR № 1559927 from 22.12.1989 [in Russian]

3. Vazhenin B.P. (1990). Sposob polucheniya tsvetostereoizobrazheniya [A method for producing colored stereo images]. inventors certificate USSR № 1635768 from 15.11.1990 [in Russian]

4. Vazhenin B.P. (1991). Sposob polucheniya tsvetostereoskopicheskogo izobrazheniya [A method of producing colored stereoscopic image]. inventors certificate USSR № 1672846 from 22.04.1991 [in Russian]

5. Vazhenin B.P. (1995). Sposob polucheniya tsvetostereomodeli [A method for producing colored stereo model]. Patent of Russian Federation № 2051399 from 27.12.1995 [in Russian]

6. Vazhenin B.P. (2013). tsvetostereoskopicheskoe otobrazhenie rel'efa [Colored stereoscopic image relief]. Geomorphology and cartography: materials of XXXIII plenum of the Geomorphological Commission RAS. Saratov. Pp. 488-492. [in Russian]

7. Valyus N.A. (1962). Stereoskopiya [Stereoscopy]. M .: Publishing House of the USSR Academy of Sciences. Moscow. 379 p. [in Russian]

8. Vlasenko V.I. (1978). Tekhnika ob"emnoi fotografii [Appliances volumetric photos]. M .: Art, 1978. 100 p. [in Russian]

9. Demidov V.E. (1987). Kak my vidim to, chto vidim [As we can see what we see]. 2nd ed., Rev. and add. M .: Knowledge, 1987 (Science and Progress). 240 p. [in Russian]

10. Zinchenko O.N., Smirnov A.N., Chekurin A.D., company «Rakurs». Obzor sovremennykh zhigkokristallicheskikh stereomonitorov [Review of modern liquid crystal stereo monitor]. pgeo.ru/articles/nauch_articles/pgeo.ru_review_stereomonitors.pdf [in Russian]

11. Kislov V.V. (1979). Fotogrammetriya. Uchebnik dlya vuzov. [Photogrammetry. Textbook for high schools]. M .: Nedra, 1979. 215 p. [in Russian]

12. Stereoochki zatvornogo tipa [Stereoglasses gate type]. http://www.news3d.biz/stereo-ochki-zatvornogo-tipa/ [in Russian]

13. Stereoskop [Stereoscope]. The Great Soviet Encyclopedia: in 30 volumes / Ch. Ed. AM Prokhorov: 3rd ed. M .: Sov. wikis. T. 24, 1976: 496, 497. [in Russian]

14. Tarasov L.V., Tarasova A.N. (1982). Besedy o prelomlenii sveta [Conversations about the refraction of light]. Ed. VA Fabrikant. M .: Ch. Ed. physical and mathematical. Lighted., 1982. 176 p. [in Russian]

15. Wenyon M. (1978). Understanding Holography. New York: 176 p.

16. Uolker Dzh. (1987). Giperskop i psevdoskop pozvolyayut issledovat', kak chelovek vosprinimaet glubinu prostranstva [Hyperscope and pseudoscope allow us to study how people perceive the depth of space]. In the world of science, 1987. № 1. pp 90-95. [in Russian]

17. Fedorov B.F., Tsibul’kin L.M. (1989). Golografiya [Holography]. M .: Radio and Communications, 1989. 144 p. [in Russian]

18. I.A. Krasnoshchekova, O.B. Normandskaya, A.M. Kislova, V.V. Kislov. Fotogrammetriya [Photogrammetry]. Nedra. Moskva. 1978. 471 p. [in Russian]

[1] Лауреат Нобелевской премии за создание голографии (1971 г.).

[2] Липман (Lippmann) Габриэль (1845-1921), французский физик, иностранный чл.-кор. Петербургской АН, лауреат Нобелевской премии 1912 г.

[3] Края линзы, также как и спектральные призмы, производят дисперсию света и вдобавок увеличивают изображение цветостереомодели и по горизонтали, и по вертикали.

[4] Качество восприятия цветостереомодели может несколько меняться в зависимости от масштаба цветостереограммы, параметров цветостереоскопа и дистанций между наблюдателем, цветостереоскопом и цветостереограммой; а также, безусловно, от совершенства цветопередачи при цифровом либо полиграфическом изготовлении цветостереограммы.