VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Создание стереограммы в программе Surface3DR2-2.0.0
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
С доисторических времен люди пытались зафиксировать в изображении окружающую реальность, передать цвета и краски всего того, что видит человек. Вначале это были примитивные наскальные рисунки, в которых с большим трудом можно увидеть изображения людей, животных, сцены охоты. Но шло время, человек развивался, развивались и усложнялись картины, создаваемые им. Изображения становились яркими, красочными, появились профессиональные художники. Их труд высоко ценился как в древности, так и в современном мире. Если раньше в качестве инструмента художника выступали кисти и краски, то теперь огромное количество визуальных произведений создается при помощи компьютерной техники.
Человек видит окружающий мир объемным. Поэтому вполне естественным желанием является желание этот мир запечатлеть именно таким, каков он есть - имеющим не только ширину и высоту, но и глубину.
Актуальность моей работы заключается в том, что стереоизображения, появившиеся в 19 веке, представляют интерес широкому кругу общественности и в настоящее время. В современном мире все чаще возрастает интерес к стереоизображениям – это 3D- картинки, игры, фотографии, фильмы.
SIRDS (Single Image Random Dot Stereo grams) или стереограммы — это графические изображения, при особом рассмотрении которых можно увидеть объемное стереоизображение, спрятанное в картинке.
3D — стереограмму можно отнести к одному из видов современного искусства, использующему новейшие разработки в области компьютерной графики, создающему иллюзию объема на основе двухмерного рисунка.
Стереоизображение можно увидеть не только на бумаге, но и на экране монитора, изменять размеры стерео картинки, распечатать ее на принтере (цветном или черно-белом) и даже сфотографировать. При всем этом эффект стереоизображения не меняется.
Цель работы: изучить теоретические основы стереографики, изучить работу различных редакторов по их созданию.
Объект исследования: программы для создания стереокартинок.
Предмет исследования: принцип работы редакторов по созданию стереограмм.
Задачи исследования:
Изучить историю появления стереограмм.
Рассмотреть виды стереограмм.
Изучить способы просмотра стереограмм.
Узнать о пользе стереокартинок.
Создать собственные стереограммы в разных редакторах
Методы исследования:
Изучение теоретических основ стереоизображений.
Анализ и сравнение различных методов просмотра объемных изображений.
Изготовление стереоскопических картинок в различных редакторах.
В данной работе рассмотрены не только основные понятия стереограмм и их виды, но и содержатся элементы исследования программ, с помощью которых они создаются.
1. Теоретические основы стереографики
1.1. История появления стереограмм
Стереоизображение было известно намного раньше создания обычного фотоаппарата.
Р одоначальником стерео по праву является Эвклид, который в 280 году до н. э. заметил, что восприятие глубины пространства и рельефность, достигается из-за того, что каждый глаз видит немного разные картинки одного и того же изображенного объекта.
П озже этот факт подтвердил в 1584 году Леонардо да Винчи и подробно изложил в своих сочинениях особенности зрительного восприятия.
В XVII веке немецкий оптик Иоганн Кеплер – раскрыл основы стереоскопического восприятия человека в своих научных работах.
В 1833 году Чарльз Уитстон представил миру зеркальный стереоскоп, который позволял увидеть картинку в объеме виде при использовании картинок с небольшим смещением. Спустя несколько лет Уинстон демонстрирует через стереоскоп фотографии – это происходит на Всемирной выставке в Лондоне.
П ервый стереофотоаппарат был сконструирован и запатентован российским изобретателем Иваном Фёдоровичем Александровским. На фотографической выставке в Петербурге в 1889 году И. Ф. Александровский экспонировал первые в России стереоскопические снимки, которые он сделал своим аппаратом ещё в 1852 году.
Популярность к стереоскопии привела к тому, что уже в 1858 году француз Жозеф д’Альмейда открыл анаглифический метод создания объемных изображений. Один из слайдов проецировался сквозь красный светофильтр, другой - сквозь синий. Посетителям выдавались стереоочки, сделанные из светофильтров тех же цветов.
С пособ разделения стереоизображений с помощью светофильтров был окончательно доработан Луи Дюко дю Ороном в 1891 году. Он дал этому способу имя - анаглиф, что по-гречески означает "рельефный". Дю Орону мы обязаны появлением современного способа печати цветных изображений. В России также получили популярность объемные анаглифические открытки: началась массовая печать разнообразной полиграфии от открыток и детских книг, до карт и атласов.
В Москве в 1940 году появился первый в мире стереоэкран с проволочным светопоглощающим растром. В 1941 г. зрители могли видеть стереофильм «Концерт» без очков и каких-либо приспособлений.
В наше время стерео применяется во многих областях: реклама, презентации, фильмы и компьютерные игры, детская и познавательная литература. Пользуются спросом среди многих предприятий, банков и государственных структур объемные визитные карточки, открытки, дисконтные карточки, календари с объемными или сменными изображениями.
Офтальмологические клиники давно практикуют стереоизображения для предупреждения детского косоглазия, выравнивания у детей цвето – и световосприятия, а так же с их помощью успешно лечат глазные патологии как у взрослых, так и детей.
В современном мире открывается множество 3d-кинотеатров, снимается все больше 3d-фильмов. Рынок заполняют новые производители 3d продукции. Разрабатываются модели 3d-телевизоров, 3d-проекторов, 3d-фотокамер, 3d-видеокамер и 3d-ноутбуков. По праву 3d можно считать шагом в будущее в свете высоких информационных технологий.
1.2. Виды стереограмм
Эффект SIRDS связан с особенностями восприятия мозгом направления взгляда. Лучи зрения каждого глаза при фокусировке на предмете пересекаются. Благодаря анализу углов поворота лучей мозг делает вывод о расстоянии до предмета. Выполняется этот анализ посредством сравнения двух картинок, формируемых глазами, и поиска общих фрагментов, для совмещения которых требуется менять углы лучей зрения.
На стерео картинке для создания видимого объема используются фрагменты одного цвета (яркости) и фона, определенным образом скомпонованные с фоновым изображением. Таким образом, SIRDS возникают благодаря обману мозга перестановкой одинаковых фрагментов изображения.
Исторически сложилось так, что наибольшее распространение получили стереограммы параллельного просмотра. Чтобы увидеть скрытую картинку нужно смотреть сквозь стереограмму, как бы параллельным взглядом, и тогда скрытая картинка появится за экраном.
Однако некоторые люди видят почему-то картинку шиворот-навыворот. Вообще, существует 2 типа стереограмм, параллельные и перекрестные. Чтобы понять почему возможны два типа стереограмм, посмотрим на следующие иллюстрации.
На рисунке слева глаза смотрят сквозь стереограмму и скрытая картинка в виде мнимого изображения получается за экраном. Если смотреть прямо на плоскость экрана, то мы видим оригинальную плоскую картинку. А если посмотреть перед плоскостью экрана, как показано на правом рисунке, то мнимое изображение появится перед экраном.
Чтобы увидеть скрытое изображение в перекрестной стереограмме нужно скрестить глаза, или посмотреть на точку перед стереограммой. Если таким способом посмотреть на обычную стереограмму, то скрытая картинка будет вывернута наизнанку. Теперь мы знаем, почему некоторые люди именно так видят обычные стереограммы, а это значит, что они перекрестные стереограммы смогут видеть нормально.
У перекрестных стереограмм есть одна интересная особенность, т.к. скрытая картинка появляется перед экраном, ее можно "потрогать". Именно на этой иллюзии основан еще один способ обучения просмотру перекрестных стереограмм. Для этого нужно взять ручку или карандаш и расположить на некотором расстоянии перед экраном. Нужно смотреть на кончик карандаша и плавно перемещать его вперед и назад. При определенном положении карандаша, в этом же месте проявится скрытое объемное изображение.1
Я не стал останавливаться на изучении физической стороны вопроса, так как меня интересовали именно компьютерные программы для создания изображений.
2. Польза и применение стереографики
Блуждая по просторам Интернета, в поисках дополнительной интересной информации о стереограммах, я нашел много интересного.
2.1. Польза от работы со стереограммами
Стереограммы улучшают настроение и развивают воображение. Они вызывают всплеск гормонов радости и буквально «вытаскивают» человека из болота депрессивного состояния.
Стереокартинки помогают обучению детей. Их можно использовать этот феномен для привлечения внимания к таким важным темам как правила дорожного движения, изучение географии, математики, химии, физики и др. Во-первых, ребенок проявляет интерес, во-вторых, начинает внимательно разглядывать, изучать 3D изображение. В-третьих, уже самостоятельно решает задачу, ищет и находит ответ, и, в-четвертых, 3D изображение сильней запоминается, надолго остается в памяти.
Р ассматривание стереограмм чрезвычайно полезно для глазных мышц, поэтому это увлекательное занятие называют спортом для глаз или фитнесом для зрения. Во время нескольких первых занятий со стереограммами вы можете почувствовать усталость, но это служит лишь доказательством эффективности подобного рода упражнений — точно так же после посещения тренажерного зала болят мышцы у нетренированного человека. Сейчас стереограммы применяют в лечении ранней стадии близорукости. Просмотр стерео грамм снимает усталость глаз и полезен тем, чья работа связана с напряжением зрения!!! «Глаза, смотрящие вдаль, никогда не стареют». Глаза человека устроены так, чтобы больше смотреть вдаль. Но современная жизнь вынуждает нас постоянно использовать глаза для «ближнего» зрения. Упражнения с применением SIRDS-картинок, для рассматривания которых необходимо «устремлять взгляд в бесконечность», оказывают положительный эффект на зрение. Видение зашифрованных трехмерных изображений способствует улучшению кровообращения, снятию напряжения глазных мышц, улучшению работы аппарата аккомодации. Все резервы организм переключает на контроль за глазами и нервные клетки испытывают повышенную нагрузку, что улучшает проводимость нервных волокон.
Стереограммы – это оригинальный подарок. Это и признания в любви, и предложение выйти замуж, и имена, просто любимые мультяшные и киношные персонажи, сердца и многое другое на фоне красивых и любимых цветов.
2.2. Как можно представить и где применить стереограмму
С тереограмму можно представить в самом разном виде. Все зависит от фантазии человека.
Рекламный буклет. Обычно стереокартинку располагают на последней странице рекламного буклета. Такой ход увеличивает шансы на то, что ваша реклама не будет выброшена в мусорное ведро еще до прочтения. Буклеты со стереокартинками хранятся достаточно долго, показываются друзьям, знакомым и тем самым увеличивают количество ваших потенциальных клиентов.
С терео магниты на холодильник. Такие магниты распродаются очень быстро и занимают почетное место на дверце холодильника к зависти гостей дома.
С терео календари. Календари всегда вешаются на самое видное место. Вы будете чаще рассматривать стереограмму календаря тем самым расслабляя и постоянно улучшая зрение.
Стерео галерея в офисе, магазине. Такая галерея вызовет внимание, повышенный интерес и даст бесплатную рекламу вашему бизнесу. Ваши клиенты будут рассказывать о галерее своим знакомым привлекая вам новых клиентов.
3. Получение объемного изображения на основе плоской (двухмерной) картинки в графических редакторах
3.1. Краткий обзор графических редакторов
Получить стереокартинку можно в самых разных программах. Stereographic Suite — трехмерные оптические иллюзии своими руками.
В состав пакета программы входят три мощные и в тоже время простые утилиты для создания стереокартинок. Рассмотрим коротко каждую из них.
Modeler – утилита для визуализации трехмерных объектов в карты глубины и в цветовые карты. В программе есть и свой набор трехмерных объектов – куб, сфера, плоскость, тор, цилиндр, конус и конечно чайник. Для расширения возможностей в Modeler встроена функция импортирования трехмерных объектов, созданных в других 3В редакторах. Программа поддерживает множество форматов 3D моделей (3DS, OBJ, B3D, MD2 и др).
Объект можно вращать, приближать, удалять, смещать. Особенно радует добавление в последнюю версию возможность рендеринга объекта в цвете. С новой функцией в Modeler добавлена поддержка материалов, окрашивание объектов и наложение с различными эффектами на их поверхности текстур.
TextureMaker – утилита для создания текстур. Однообразие и невзрачные текстуры теперь в прошлом. В этой утилите вы можете генерировать процедурные текстуры по случайным рисункам. Новая возможность создания бесшовной текстуры говорит о многом, ваша готовая стереокартинка не будет содержать стыков элементов узора текстуры.
С помощью инструмента Штамп вы можете оставлять многочисленные «отпечатки» любых графических изображений на текстуре. Кисть и текст позволяет добавить в элемент узора произвольный рисунок или текст.
StereogramGenerator – генератор скрытых (на картинке хаотичный узор) и явных (из 3D объектов создается повторяющийся узор) стереограмм. В первом случае программа генерирует конечную стереограмму из маски глубины, созданной в Modeler, и текстуры, созданной в Texture Maker. Во втором случае вместо текстуры используется цветовая карта, созданная в паре с маской глубины в Modeler.
Surface 3D Release 2 - лучшее автоматическое создание объёмных стереограмм. Широкие возможности, гибкие настройки и интуитивно понятный интерфейс, позволили Surface-3D занять лидирующие позиции по популярности среди программ данного назначения.
Данная программа обеспечивает различные инструменты для дизайна стереограммы, создания картинки и финального оформления. В следующей главе рассмотрим последовательность работы в этой программе.
3.2. Описание последовательности работы по созданию стереографики в программе Surface-3D-Release-2
S urface 3D Release 2 - лучшее автоматическое создание объёмных стереограмм. С помощью этой программы вы сможете самостоятельно сделать стереокартинку на свой вкус. Рассмотрим возможности программы и на практическом примере сделаем стереограмму. Поэтапное описание выполнения стереограммы я позаимствовал у Романа Ваховского чтобы самому изучить принцип работы программы.
После запуска программы у вас откроется следующее окно:
Нажмите «Start Surface-3D-Release-2». Русифицируем программу, для чего перейдите File → Preferences.
О ткроется окно «Preferences» (настройки). На вкладке «Language» нажмите на кнопку «Import Language» и в архиве дистрибутива программы в папке «languages» выберете «Russian». Далее в окне «Preferences» на вкладке «Language» появится новая строка — «Russian». Выделите ее и нажмите на кнопку «ОК«. Программа русифицирована.
Д алее, мы изготовим:
Карту глубины (черно белая картинка, которая несет в себе информацию о глубине скрытого изображения на стереограмме. Чем ближе точка находится к нам, тем она светлее и наоборот).
Текстуру (картинка с хаотичным узором). При наложении друг на друга карты глубины и текстуры, получается готовая стереограмма.
В правом верхнем углу программы расположены три кнопки: карта глубины, текстура, оформление. Для начала создания карты глубины нажмите на кнопку «Карта глубины». В нижней левой части окна расположена панель инструментов с кнопками: простые фигуры (плоские геометрические фигуры и плоский текст).
Г радиент (простые геометрические фигуры с градиентной заливкой).
Изображение (для загрузки уже готовой карты, сделанной в другом редакторе).
3D Объект (рисование шаблонных 3D фигур, вставка изображений 3D объектов, нарисованных в 3D редакторах, объемный текст).
Дополнительно (этим инструментом, при помощи специального плагина, встроенного в программу, можно рисовать наклонные плоскости).
Перейдем к практике. На будущей стереокартинке планируется простой пейзаж, а именно – море, парусная лодка в нем и светлое небо. Начнем зарисовку карты глубины в соответствии с планом картинки. Инструментом «Дополнительно» нарисуем горизонтальную плоскость в предварительно выделенной области черного экрана левой кнопкой мыши. Это будущее море.
П ерейдя в инструмент «3D Объект«, в нарисованную плоскость вставим предварительно нарисованную в 3D редакторе модель парусной лодки (готовые бесплатные 3D модели можно скачать в интернете).
Обратите внимание: размер и положение любого объекта, предварительно его выделив, можно скорректировать, передвигая синие точки вокруг него.
Предварительная карта глубины готова.
Перейдем к созданию текстуры, для чего кликните по кнопке «Текстура» в правой верхней части окна программы. В левой верхней части появится меню «Создать», в котором нам доступны три инструмента:
Текстура из случайных точек
Текстура из случайных точек с градиентом
Текстура из картинок.
Используем инструмент «Текстура из картинок» и загрузим в качестве текстур две картинки размером 300×300 точек, верхнюю для неба, а нижнюю для моря.
В меню «Положение«, текстуры можно менять местами.
В меню «Изменение текстуры«, попробуйте поиграть с опциями «Регулирование цвета«, «Изменение стиля«, «Зеркало без шва» для достижения наиболее приемлемого качества стереокартинки.
Нажатием кнопки «Изменить текстуру«, вы откроете окно, в котором можно поменять текстуру или ее размер.
Для текстур неба и моря, соответственно маске глубины, подберем такие размеры, чтобы море и небо не «наползали друг на друга».
После того, как текстура будет создана, перейдите на главной панели инструментов Построить → Построить Стереограмму. Откроется окно получившейся стереокартинки.
После первого построения стереограммы кнопка «Оформление» станет активной. При редактировании карты глубины или текстуры, вы сможете посмотреть получившуюся картинку, щелкнув по этой кнопке.
В нижней части окна появится меню с тремя кнопками: Граница, Текст, Подсказки.
В меню «Граница» можно наложить на готовую стереокартинку рамку из трех видов:
простая линия;
рамка с узором;
картинка как граница.
Н аложим на стереограмму картинку, входящую в библиотеку программы.
Меню «Текст» предоставляет возможность наложить на стереокартинку водяной знак. Водяным знаком может быть адрес сайта, логотип фирмы, название стереокартинки и так далее.
В меню «Подсказки«, куда-нибудь в уголок стереокартинки вставим миниатюру ее карты глубины. Это и будет подсказка для скрытого объемного изображения на стереограмме.
На этом наша стереокартинка готова!
Заключение
В ходе написания данной исследовательской работы я узнал и понял, что стереографика – это удивительный мир, обширный и интересный. Применение законов оптики и анатомии совместно с другими изобретениями из полоской картинки позволяют получить настоящую трехмерную реальность. Несмотря на то, что теория процесса получения объемных изображений на основе плоской двухмерной картинки имеет давнюю историю, постоянно появляются новые технические и программные средства. Изображение становится все более качественным, максимально приближенным к реальному. Появляется возможность взаимодействия человека с получаемым изображением - виртуальная реальность.
Проделав разные эксперименты по получению объемного изображения в разных редакторах я приобрел следующие знания:
познакомился с именами известных ученых, совершивших важные открытия в области получения и фиксации объемного изображения;
узнал, как зрение и мозг человека обрабатывают визуальную информацию;
узнал способы получения объемного изображения из плоской двухмерной картинки;
самое важное, что я сам научился делать стереграфические изображения в разных редакторах.
Результатом моей научно-практической работы стали получившиеся результаты (стереоизображения), факт возможности получения качественного объемного изображения из плоской картинки. При этом изображение может быть как статичным, так и динамичным.
Полученные результаты при исследовании могут быть интересны школьникам и широкой общественности для расширения их кругозора и знакомства с удивительным миром трехмерных изображений и виртуальной реальности.
Приложение 1
Как научиться смотреть стереограммы
При беглом обычном взгляде на стереокартинку ничего кроме хаоса красок, как правило, не видно. Для открытия объёма на изображение нужно смотреть особым способом.
Прежде всего необходимо сесть прямо перед картинкой и сосредоточиться, желательно в тишине и спокойном месте.
Для того чтобы "поймать" изображение" стереограммы, нужно смотреть на нее по особой методике, не так, как мы смотрим обычно. Существует несколько методов обучения технике рассматривания стереограмм. Вы можете выбрать ту, которая вам больше подходит.
М етод 1. Возьмите карандаш или ручку, держите его за нижний конец вертикально на расстоянии 15 — 20 см от кончика носа так, чтобы верхний конец карандаша был на уровне глаз. Теперь посмотрите мимо карандаша на какой-нибудь предмет и вы увидите, что карандаш как бы раздвоился.
Е сли вы научились легко «раздваивать карандаш», попробуйте следующее упражнение: нарисуйте на листе бумаги две горизонтальные точки на расстоянии 2-3 см друг от друга. Посмотрите сквозь лист так, чтобы каждая точка раздвоилась аналогично как карандаш. Две точки должны раздвоиться в четыре. Теперь попробуйте удалить лист бумаги от себя так, чтобы две средние точки слились в одну. Если вам это удалось вы можете приступать к рассматриванию стерео картинок.
Приблизьтесь к листу стерео картинки (если в руках лист будет дрожать, то у вас ничего не получится) или к монитору вплотную так, чтобы вы не смогли сфокусироваться на картинке (изображение в глазах станет расплывчатым). Далее медленно удаляйте голову от монитора, направление взгляда не меняйте и не моргайте. Постепенно мутные пятна начнут вырисовываться в очертания объемного изображения. После того, как вы «увидели» стереокартинку, можно аккуратно менять угол взгляда, отдаляться от картинки — объемная фигура не исчезнет!
Метод 2. Возьмите простую стереограмму, с ярко выраженным повторяющимся узором, в котором, как вы точно знаете, "зашифрован" один предмет простой формы. Держите картинку на расстоянии 25-30 см. Можно немного приблизить или отодвинуть - строгих рамок нет. А теперь попытайтесь расфокусировать взгляд. Это означает - не разглядывайте саму картинку, а смотрите сквозь нее, как будто она прозрачная. Разумеется, ваши глаза поначалу не будут вас слушаться: они привыкли фокусироваться на изображениях, это их работа! Но не сдавайтесь и пробуйте дальше расслаблять глаза. Как только это у вас получится, приступайте к следующему этапу разглядывания - подберите расстояние до картинки, при котором начнет вырисовываться пусть нечеткая, мутная, но объемная картинка. Для этого плавно и понемногу придвигайте и отодвигайте картинку. В определённый момент вы почувствуете, как что-то происходит: фон как бы уплывает назад, а затем начинают проявляться контуры предметов. Ни на минуту не забывайте, что глаза надо продолжать держать расслабленными (расфокусированными): как только они попытаются снова сконцентрировать взгляд на картинке или её элементах - объёмное изображение снова "убежит"!
Когда у вас получится увидеть объём в первый раз, смотрите сначала на маленький фрагмент картинки, а потом отведите глаза и рассмотрите остальную часть изображения.
Метод 3. Годится, когда картинка распечатана на бумаге. Сосредоточьте взгляд на какой-нибудь отдалённой точке. Потом поместите изображение в поле своего зрения. Картинка расплывётся у вас перед глазами. Однако когда вы сосредоточите на ней свой взгляд, ваши глаза различат за рисунком трёхмерное изображение.
Ни в коем случае не перенапрягайтесь! Давайте глазам отдохнуть! Если ваши глаза упорно не хотят видеть 3D-картинку, попробуйте взять другую стереограмму. После нескольких тренировок у вас, скорее всего, всё получится, и вы уже не захотите расстаться с волшебным миром 3D-картинок!
"Чтение" стереограмм - замечательная гимнастика для глаз, так как обладает свойством снимать напряжение, расслаблять глазные мышцы. При условии, конечно, если вы не переусердствуете и не будете заниматься этим слишком долго. Не забывайте: любой вид деятельности, даже полезной, требует отдыха!
У дачи вам в освоении волшебного мира стереограмм и приятного отдыха!
1 Подробное описание «Как научиться смотреть стереограммы» я разместил в своем приложении к работе (см. Приложение №1)