XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
3D-евятое царство
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Мир не стоит на месте, грядет прогресс. Изо дня в день наша жизнь пополняется современными и усовершенствованными технологиями. Пожалуй, сегодня нет человека, который не слышал про 3D. Кто хотя бы однажды посмотрел фильм в 3D-формате, согласится со мной, что это впечатляющее зрелище. 3D технологии применяются не только в кинопроизводстве, но и в других сферах жизни человека: в медицине, архитектуре, дизайне, в сети Интернет и компьютерных играх. Изобретаются и применяются 3D телевизоры, 3D принтеры, 3D обои, 3D постельное белье. Эта тема заинтересовала меня давно, но после очередного просмотра 3D фильма мое любопытство взяло верх, появилось много вопросов. В чем заключается секрет 3D эффекта, как давно возникла эта технология и влияет ли 3D восприятие на здоровье человека?
Цель: исследовать механизм формирования и создания 3D-изображений, выявить влияние фильмов 3D формата на здоровье подростка.
Гипотеза: если подростки будут знать принципы действия 3D технологий, то это поможет избежать неприятных для здоровья последствий после просмотра стереопрограмм и 3D фильмов.
Объект исследования: технологии формирования стереоизображений, потенциальный вред эффекта 3D на здоровье подростка.
Задачи исследования:
1) Узнать историю создания 3D технологий.
2) Изучить технологии создания 3D изображений.
3) Выяснить, почему человек видит окружающие предметы объёмными.
4) Создать модель стереоскопа.
5) Смоделировать зоотроп – простейшую 3D анимацию.
6) Посмотреть фильм в 3D формате.
7) Обобщить полученные данные и сделать вывод.
Практическая значимость: материалы данного исследования могут быть использованы на уроках физики, информатики, окружающего мира, на классных часах и родительских собраниях для проведения бесед, направленных на сохранение и укрепление здоровья подростков.
-
Знакомство с 3D технологиями
На сегодняшний день технология 3D является перспективной и активно развивается. Чтобы разобраться в технологии получения 3D изображения необходимо понять несколько терминов. Во-первых "3D". D - от английского "dimension", то есть "измерение". 3D - три измерения (ширина, высота, глубина). Создание 3D-картинки базируются на том, что мозг получает от левого и правого глаза два различных сигнала. «В режиме реального времени» поступающая информация анализируется, и формируется изображение, которое мы воспринимаем как объёмное. Способность к бинокулярному (стереоскопическому) зрению возникла у животных и людей как часть природного механизма выживания, позволяющего определять расстояние до предметов, других животных или людей.
Такие знания позволяют быстро принять решение при встрече с опасностью или, наоборот, дичью — напасть, отступить, обойти или бежать. Бинокулярным зрением обладают помимо человека лишь животные с наиболее развитой высшей нервной деятельностью. Все, что нужно для определения расстояния, которое и формирует объемную картинку, — это три точки: непосредственный предмет и пара глаз. Главным «устройством» необходимым для просмотра трехмерной картинки является наш мозг. Именно в нем «в режиме реального времени» анализируется информация, поступающая от левого и правого глаза, и формируется изображение, которое мы воспринимаем как объёмное. Все методы создания 3D-картинки базируются на том, что мозг получает от глаз два различных сигнала, переводит их, сам себя обманывает, переходя в трехмерность.
-
-
История создания 3D изображений
-
История 3D насчитывает большое количество взлетов и падений. Первые патенты на просмотр трехмерных объёмных фильмов появились в конце XIX века.
1830-1946 годы. Этап экспериментирования. Продюсеры, поклонники и изобретатели всех пленок заложили основу для 3D кино.
1838 год – стереоскоп английского физика сэра Чарльза Уитстоуна сделал возможным объемное отображение нарисованных полукадров. В качестве слайдов использовались кадры с куклами, снятыми под двумя разными ракурсами. При этом каждый глаз видел свою собственную картинку.
В 1877 году Эмиль Рейно запатентовал праксиноскоп – аппарат, оснащенный лентой с картинками, которые, быстро вращаясь, создавали иллюзию движения рисунка.
1922 год был продемонстрирован первый фильм «Сила любви» со стереоскопическим эффектом, в котором разделение изображения осуществлялось с помощью цветных очков.
1973-1985 годы. Возрождение 3D кино. Однако, несмотря на вновь появившийся успех, маленькие картонные очки не взяли верх, и 3D исчезло снова.
1986-2000 годы. 3D-революция. Начинается освоение 3D компьютерной графики и переход кино на цифру.
2004 год - Технологический прорыв. Технологии стереосъёмок развиваются и становятся всё менее проблемными. Наступил век технологий компьютерной анимации, цифровых камер и домашних кинотеатров.
2010 год – множество кинотеатров уже оснащено оборудованием для просмотра трехмерных фильмов.
Вывод: можно с уверенностью утверждать, что открытый в XIX веке эффект получения трехмерного изображения в настоящее время стал перспективным направлением развития современных технологий. Трехмерное изображение нас ждет вскоре повсюду — в кинотеатрах, компьютерных играх, на экранах домашних телевизоров и мониторах. А в ближайшем будущем и в мобильных телефонах. Для создания трехмерного изображения используется 3D проектор, а для просмотра требуются специальные очки.
-
-
Технологии создания 3D изображений
-
Для создания трехмерного изображения существует множество технологий. Наибольшее распространение получили анаглифическая, поляризационная и затворная технологии.
Анаглифическая технология.
Анаглиф – изображение, созданное с целью получения стереоэффекта с помощью совмещенной стереопары, созданной двумя цветными изображениями. Формирование разных картинок для двух глаз осуществляется за счет разницы волнового диапазона цветов. Иллюзия объемного изображения формируется в мозгу. Более того, из-за смешения двух разных цветных изображений в сознании возникает как бы цветное восприятие объекта, хотя цветопередача при этом будет иметь довольно низкое качество. Для просмотра стереоизображений используют очки, одно из «стекол» (пленок) которых представляет собой бирюзовый, а второе – красный светофильтр. Использование анаглифов требует времени для подготовки зрительного анализатора для просмотра изображений. Благодаря адаптации изображение начинает восприниматься объемным. Без очков картинка будет казаться раздвоенной.
Преимущества технологии: поддерживается любыми современными видеокартами.
Недостатком метода, помимо невозможности просмотра полноцветных изображений, является зрительное утомление и последующее невосприятие реальных объектов. Хотя адаптация к восприятию стереоанаглифов происходит быстро, но через 10-20 минут пребывания в анаглифических очках у человека снижается цветовая чувствительность и возникает ощущение дискомфорта от восприятия обычного мира (время восстановления правильного восприятия – около 30 минут).
З атворная технология.
Затворная - в настоящий момент наиболее распространенная 3D технология для дома и для бизнеса (почти треть российских 3D-кинотеатров) заключается в том, что проектор с высокой частотой выдает кадры для обоих глаз, а очки, оснащенные затворами на основе жидких кристаллов, выделяют нужные кадры
Преимущества затворной технологии: высокое качество изображения 3D, простота установки и настройки, поддержка многих производителей, доступность, лучшее решение для дома.
Недостатки 3D-технологии затворного разделения: специальные требования к 3D-оборудованию, дорогие 3D-очки, неудобство для массовых мероприятий.
Поляризационная технология.
В 3D-технологии поляризационного разделения два изображения разделяются поляризационным фильтром. Устройства, поддерживающие данную технологию, разбивают оба изображения по строкам. При этом изображение, сформированное из четных строк, имеет одно направление поляризации, а изображение из нечетных строк – другое. Поляризационные очки снабжены двумя разными поляризационными фильтрами. Каждый из них пропускает свет только одного направления поляризации и таким образом формирует нужную картинку для каждого глаза
Преимущества поляризационной технологии: высокое качество 3D эффекта, возможность использовать проекционные системы для большого числа зрителей, наиболее комфортное решение для длительного просмотра 3D.
Недостатки поляризационной технологии: 3D-оборудование требует много места для размещения, сложность установки и настройки оборудования, специальный 3D-экран.
На сегодняшний день существует уже несколько технологий, позволяющих наслаждаться 3D-изображением без использования очков.
-
Мои исследования
-
Бинокулярное зрение
-
Задача состоит в выяснении причины, по которой человек воспринимает окружающие предметы объемными. Как известно, мы видим предметы как объемные, хотя на самом деле наши глаза воспринимают только две плоские картинки. Чтобы проверить это, я положила два шара на уровне глаз, так чтобы они были на равном расстоянии от каждого глаза и один за другим. Затем я закрыла левый глаз и посмотрела на шары только правым глазом, и наоборот. Я обратила внимание, что углы обзора немного отличаются. Позже я узнала, что это явление называется параллаксом. Эта информация позволяет нашему мозгу делать выводы о пространственном расположении предметов вокруг нас и воспринимать их как объемные.
Вывод: человек видит окружающие предметы объемными, потому что он воспринимает их с помощью двух глаз. Бинокулярное или стереоскопическое зрение обеспечивает четкое объемное восприятие предмета и его местоположение.
-
-
Модель стереоскопа
-
Для полного понимания трехмерного восприятия, я решила создать свой собственный стереоскоп. Стереоскоп - это устройство, позволяющее наблюдать объемные изображения предметов и интерьеров путем просмотра двух плоских изображений, снятых с разных ракурсов. (Приложение 1)
В первую очередь, я сфотографировала объект на расстоянии, устанавливая камеру на плоскую поверхность, чтобы получить максимально четкое изображение. Было важно найти "центр" объекта. После первого снимка я измерила расстояние от объекта до камеры.
На втором этапе я сдвинула камеру примерно на 3 дюйма (7,6 см) в сторону, так как это приблизительное расстояние между центрами наших глаз. При перемещении камеры я убедилась, что расстояние между объектом и камерой не изменилось, изменился только угол, под которым был сделан следующий снимок. Я сделала второй снимок, который выглядел почти идентично первому, но с некоторыми незначительными изменениями.
Затем я распечатала две фотографии размером 6 на 9 сантиметров. Почему такой размер? Для получения изображений большего размера потребовалось бы использовать зеркальный стереоскоп, изготовление которого не так просто!
На четвертом этапе я начала собирать стереоскоп. Я вырезала на куске картона два отверстия и вставила между ними другой кусок, чтобы получить два круглых отверстия шириной около 2,5 см. Эти отверстия предназначены для глаз, а кусок картона будет служить держателем объектива. Я также приклеила другой кусок картона перпендикулярно держателю объектива, создавая разделитель между отверстиями для глаз. Этот разделитель помогает глазам оставаться сфокусированными на изображении прямо перед ними, вместо того, чтобы смотреть на противоположное изображение.
Затем я прикрепила держатель объектива к одному концу картонной полоски длиной 30 см. Я также приклеила держатель объектива к картонной полоске высотой около 5 см и прикрепила эту полоску перпендикулярно картонной полоске толщиной 30 см так, чтобы она торчала с одного конца. Держатель объектива должен был иметь высоту около 5 см, чтобы позже можно было выровнять центр отверстий для глаз с центрами наших снимков.
Я также приклеила еще один кусок картона к другому концу полоски. Убедившись, что прикрепила этот кусок перпендикулярно полоске длиной, я сделала верхнюю часть этого куска картона такой же высокой, как и верхняя часть держателя объектива.
Для завершения стереоскопа я приклеила две линзы к внутренней стороне держателя объектива. Линзы должны были быть увеличительными с фокусным расстоянием около 30 сантиметров для людей с нормальным зрением. Технически стереоскоп можно использовать и без линз, но при наличии линз использование становится более удобным!
Людям с близорукостью линзы могут вообще не потребоваться. Людям с дальнозоркостью может потребоваться более сильное увеличение, чтобы видеть изображения в 3D.
После приклеивания линз я посмотрела через отверстия для глаз в центрах двух снимков. Затем я скрестила глаза, пока два центра не наложились друг на друга. Как только они наложились, изображения стали выглядеть в трехмерном формате!
-
-
Все ли поляризационные очки одинаковые?
-
Мои родственники предпочитают использовать поляризационные очки для вождения, а при покупке телевизора в подарок нам было прислано четыре пары таких же очков. Возник вопрос, и возникла цель - определить различия между двумя видами поляризационных очков. Принцип действия этих очков основан на физической характеристике света - поляризации. Вместо обычных линз в этих очках используются поляризационные фильтры, которые пропускают только световые волны с аналогичной поляризацией.
Для проведения эксперимента я выбрала монитор ноутбука в качестве источника поляризованного света. Расположив две пары поляризационных очков перед монитором параллельно поверхности стола, я увидела изображение через фильтры. Это говорит о том, что оба фильтра имеют одинаковую поляризацию. Однако при повороте водительских очков примерно на 45 градусов я заметила, что они стали темными и изображение стало плохо видимо через них. Это означает, что оба фильтра перестали пропускать поляризованный свет от монитора, когда я изменила их положение относительно направления световых лучей
Затем я расположила пару поляризационных очков, которые шли в подарок к телевизору, перед монитором параллельно столу. Через левый фильтр я продолжала видеть изображение, а правый фильтр стал затемненным и не пропускал свет. Это свидетельствует о том, что фильтры в очках из подарка имеют разную поляризацию. Для подтверждения этого я расположила их перпендикулярно столу. Левый фильтр снова затемнился, а через правый я смогла видеть изображение на мониторе. Поворачивая очки, я изменила их положение относительно световых лучей и теперь правый фильтр начал пропускать поляризованный свет, в то время как левый блокировал его.
Вывод:
1) В поляризационных очках автомобилиста стоят фильтры одинаковой поляризации. В поляризационных очках, подаренные магазином, стоят фильтры разной поляризации.
2) При поляризационной технологии демонстрации 3D фильмов поляризационные очки с разными фильтрами-поляризаторами позволяют увидеть изображение объемным. В кинотеатре изображение показывают с помощью двух мощных проекторов. Один показывает изображение, предназначенное только для правого глаза, второй - только для левого.
2.4. Моделирование и демонстрация 3D анимации
Также я решила познакомиться и смоделировать простейшую 3D анимацию - зоотроп. (Приложение 2). Зоотроп был изобретен Вильямом Хорнером в 1834 году. В своей основе данный научный проект демонстрирует принцип сопротивления зрения. Отверстия проделаны на одинаковом расстоянии вокруг внешней поверхности цилиндра и, когда он начинает вращаться, создается иллюзия движения - анимация. Анимация - это быстрое движение ряда изображений, создающих иллюзию движения. Когда вы смотрите через движущиеся прорези, ваши глаза и мозг соединяют эти двигающиеся фигуры, чтобы создать единое полное изображение.
3. Влияние 3D-технологий на здоровье человека
Современные технологии постоянно продолжают свое развитие. Сегодня большое внимание уделяется организации досуга, а 3D-технологии стали очень популярным развлечением. Многие люди посещают кинотеатры, а некоторые даже устанавливают систему в доме. Однако, несмотря на все интересные возможности современных технологий, необходимо серьезно задуматься о влиянии 3D-эффекта на здоровье, особенно детей и подростков. Эта тема сейчас активно обсуждается врачами неврологами и офтальмологами. Российские медики провели исследования, в ходе которых посетители 3D-кинозалов, использующие специальные поляризационные очки, жаловались на дискомфорт, головную боль и трудности с адаптацией глаз к окружающей обстановке. Специалисты объяснили, что поляризационные очки оказывают положительное действие на глаза, но только в течение первых 15-20 минут. Такая короткая нагрузка не вредит мышцам, а даже полезна для них, так как в это время они успевают расслабиться и глаза разгружаются. Однако затем начинает снижаться цветочувствительность, и примерно через полчаса после начала просмотра фильма человек начинает испытывать дискомфорт и головокружение. Просмотр трехмерного видео подвергает мозг совершенно новому сенсорному опыту, что вызывает значительное умственное напряжение, которое, в свою очередь, может стать причиной головной боли. Также важно учесть расстояние до экрана, которое должно быть не менее 20 метров от зрителя, что ставит под сомнение идею приобретения 3D-телевизора для дома. Признанные японские и корейские производители 3D-телевизоров официально заявляют о возможности побочных эффектов, таких как головная боль, тошнота, головокружение, повышение давления, непроизвольные движения глаз, нарушение сознания и чувство дезориентации. Медицинские работники также обращают внимание на то, что 3D-развлечения могут негативно влиять на психику. Поэтому необходимо ограничивать просмотр 3D-фильмов по возрасту, сюжету и длительности.
Анкетирование и просмотр 3D мультфильма
Целью моего анкетирования стало изучить общественное мнение о популярности и заинтересованности в 3D, о пользе-вреде фильмов 3D-формата, выявить, с какими побочными «эффектами» сталкиваются опрошенные после просмотра 3D фильмов. (Приложение 3) В анкетировании приняли участие обучающиеся 7-9 классов, а также учителя МБОУ ООШ с. Марьино-Николаевка. По результатам анкетирования получены следующие результаты. Общее количество респондентов – 25. Заинтересованность фильмами формата 3D оказалась практически 100% - все опрошенные смотрели фильмы в 3D-формате. После я выяснила, с какой целью опрошенные посещают фильмы в 3D-формате. Большинство посещают 3D сеансы для отдыха (15 человек). Нескольких человек интересуют новые технологии (2 человека). 8 человек под влиянием телерекламы. Жанр посещаемых фильмов тоже разный в основном это: фэнтези, приключения и мультфильмы, а также ужастики и мелодрамы. Из тех, кто посещал киносеансы в 3D-формате, 5 человек уже через 20-30 минут просмотра снимали очки, а 20 опрошенных зрителей – ближе к концу фильма. Шестеро респондентов во время сеанса обратили внимание на появление головной боли, у 9 респондентов она появилась после просмотра фильма, 5 человека не обратили внимания, 5 опрошенных ответили, что головная боль не возникала. Только 4 опрошенных из 25 знали об отрицательном влиянии фильмов 3D-формата на органы зрения и работу головного мозга.
Для получения дополнительных данных решила провести эксперимент. Мы с классом и классным руководителем кинотеатр и просмотрели художественный фильм в 3D-формате. Всего в нашем классе 6 человек. Сразу после сеанса раздала карточки с полосками цветной бумаги (синей, зеленой, красной, белой), а также с текстом различного шрифта. У 3 человек наблюдалось изменение цветовосприятия (видели другой цвет или оттенки предложенных). Пятеро человек наблюдали нечеткое, размытое изображение текста мелкого шрифта. Одному участнику эксперимента было трудно прочитать текст даже крупного шрифта. Только один участник эксперимента сказал, что не наблюдает проблем с цветовосприятием и чтением текста, у него нет головной боли, но ощущается усталость глаз. В течение 20-25 минут у всех зрение нормализовалось.
По результатам проведенного анкетирования и дополнительного исследования можно сделать следующие выводы:
1) Наблюдается высокий процент посещаемости фильмов в 3D-формате;
2) После просмотра 3D-фильмов появляются «побочные эффекты» (ухудшение самочувствия в виде головной боли, кратковременного снижения зрения);
3) Опрошенные не догадываются о том, что изменения в работе зрительного анализатора и головного мозга могут быть связаны с просмотром 3D-фильмов;
4) Даже те, кто понимает, что просмотр 3D-фильмов может негативно сказаться на их здоровье, продолжают посещать сеансы объемного кино, не задумываясь о последствиях;
6) Цели, с которыми подростки посещают сеансы объемного кино, различны
Заключение
Заключаясь, особо радует подведение итогов: все поставленные задачи успешно выполнены, цель достигнута! Наша гипотеза оправдала себя!
В настоящее время все производители техники единодушно перешли на трехмерное изображение, которое скоро станет повсюду - в кинотеатрах, компьютерных играх, на экранах телевизоров и мониторов, а в будущем даже в мобильных телефонах. Однако использование 3D технологий, основанных на паралаксе, для создания глубины изображения требует дополнительных усилий от мозга. Это может привести к головной боли, так как мозг посылает больше импульсов, чтобы заставить мышцы глаз работать скоординировано. Небольшое напряжение глазных мышц в течение первых 15-20 минут просмотра 3D видео не вредит, а, наоборот, помогает мышцам расслабиться. Однако через полчаса человек начинает испытывать дискомфорт и головокружение из-за снижения чувствительности глаз к цвету. Следует отметить, что подростки составляют высокий процент зрителей 3D фильмов, но многие из них не осведомлены об отрицательном влиянии таких фильмов на зрение и головной мозг. Важно помнить, что технологии 3D еще не до конца изучены, и чрезмерное использование таких развлечений может иметь неизвестные последствия!
Литература
П. Иванов, А. С. Батраков. Трёхмерная компьютерная графика / Под ред. Г. М. Полищука. — М.: Радио и связь, 1995. — 224 с. — ISBN 5-256-01204-5
Дж. Ли, Б. Уэр. Трёхмерная графика и анимация. — 2-е изд. — М.: Вильямс, 2002.
Учебник по физике 9 класс А.В. Перышкин
https://www.wikihow.com/Make-a-Stereoscope
http://www.nkj.ru/archive/articles/13930
https://meduniver.com/Medical/profilaktika/zdorovie_i_3D_texnologii.html
Приложение 1. Создание модели стереоскопа.
Приложение 2. Моделирование и демонстрация 3D анимации
Приложение 3. Проведение анкетирования