Цифровой метод синтеза стереоизображений

Сегодня существует множество способов регистрации и воспроизведения объемного изображения:

• интегральная фотография Липмана
• растровая стереофотография
• стереопара
• голограмма
• мультиплексная голограмма

Наибольший интерес представляет мультиплексная голограмма, синтезированная из последовательного ряда фотографических ракурсов. Дело в том, что классическая растровая фотография имеет довольно малую глубину и низкое разрешение деталей сцены. Это связано с ограничением разрешения печати и сложностью совмещения отпечатка на бумаге с линзовым растром.

Голографический метод синтеза стереоизображения обладает рядом достоинств, которые обеспечивают большую глубину резко отображаемого пространства и широту яркостной палитры, соответствующей этому методу записи изображения.

Голограмма – самый информативный способ оптической записи, обладающий рядом уникальных оптических свойств, присущих скорее элементам геометрической оптики – линзам, линзовым растрам и зеркалам. Голограмма способна воспроизвести волновой фронт самой причудливой формы, одновременно нескольких наложенных друг на друга трехмерных изображений, с ее помощью можно планировать пространство сцены, перемещая ее элементы относительно плоскости дисплея.

Описание метода.

Голографический метод синтеза стереоскопического изображения очень похож на метод растровой фотографии. (Смотри рисунок.) На голографическую фотопластину через узкую щель (1) последовательно кадр за кадром записываются отдельные стереоракурсы (2i). В качестве транспаранта, отображающего отдельный ракурс лучше всего использовать монохромную LCD матрицу высокого разрешения с линзой Френеля (3) и диагональю изображения порядка 19 дюймов.

Во-первых, это позволит использовать цифровую технологию, начиная от регистрации параллаксограммы с помощью цифрового фотоаппарата или видеокамеры, до синтеза многоракурсной голограммы с LCD матрицы.

Во-вторых, управляющий компьютер может максимально автоматизировать процесс и исключить ошибки при записи 100 – 300 ракурсов.

Конструкция установки для записи мультиплексной голографической матрицы будет состоять из держателя диафрагмы в виде узкой щели (1), подвижного блока с фотопластиной (2), LCD модулятора для синтеза изображений последовательности ракурсов (3), неподвижного блока линз Френеля, фокусирующих свет лазера на апертуре щели и направляющей платформы (5).

Подвижный блок с фотопластиной и LCD матрицей после регистрации каждого ракурса перемещается по направляющим на расстояние, равное ширине щели, при этом практически весь световой поток лазерного излучения, модулированного LCD матрицей, собирается на узкой апертуре диафрагмы. Опорный волновой фронт плоской формы формируется с помощью цилиндрической оптики и имеет сечение, близкое к апертуре полосковой диафрагмы, ограничивающей площадь фотопластины при записи каждого ракурса.

Подобная схема позволяет использовать лазеры малой мощности (20 мВт.) при записи относительно больших голограмм (порядка 200х300 мм).

Напимер:

• мощность лазера с длиной волны 530 нм. - 20 мВт.
• апертура щели - 2х200 мм.
• чувствительность фотопластины ВРП - 0,5 Дж/м2

Экспозиция одной полоски составит - 0,2 сек (учитывая потери излучения в оптической схеме порядка 15%).

Используя "мальтийский крест" в приводе винтовой пары перемещения блока фотопластина - LCD матрица и масляное демпфирование подвижного блока, синтез из 150 ракурсов можно произвести за две с половиной минуты.

Процесс копирования мультиплексной матрицы желательно производить с оптической редукцией масштаба 1:2, в таком случае пиксельная структура сфокусированного изображения наблюдаемых ракурсов становится абсолютно незаметной для глаза. Однако, при этом следует не забывать о коррекции размера синтезированной стереобазы с целью сохранения гармоничных пропорций трехмерной сцены.

Нарушения синхронизации ракурсов в процессе редукции масштаба будут отсутствовать благодаря тому, что здесь все копируемые изображения плоские и при масштабировании остаются совмещенными даже при использовании сферической оптики. Это обстоятельство позволяет без проблем синтезировать и цветные стереодисплеи, так как при их синтезе изображения цветоделенных ракурсов в процессе копирования остаются согласованными.

После записи «полосковой» голограммы необходимо произвести ее копирование. Изображение следует переписать голографическим методом на другую фотопластину. Во время копирования фотоэмульсия должна быть расположена в том месте, где во время синтеза находился LCD монитор. В результате процесса копирования все изображения сцены окажутся записанными в плоскости фотоэмульсии, что эквивалентно результату регистрации сфокусированного изображения всех составляющих ракурсов одновременно. Таким образом готовят отражательную мастер-голограмму для последующего тиража.

Стереоизображение синтезировано Валерием Смирновым.
Для записи стереограммы использовался цифровой фотоаппарат Olympus E-100 (частота съемки - 30 кадров в секунду).

Ощущение глубины отображаемого пространства вызвано тем, что в пределах апертуры голографического дисплея зритель видит изображение ракурсов через непрерывный ряд узких щелей. Сквозь каждое изображение щели, локализованное на некотором расстоянии от голограммы, мы видим только один ракурс. Каждый глаз при этом фиксирует изображение, адекватное условиям наблюдения реального пространства. Следовательно, у каждого наблюдателя возникнет ощущение глубины и объема.

Схема последовательного синтеза стереоизображений из Фурье спектров.

 Установка для записи параллаксограммы.

С помощью данной установки можно регистрировать последовательный ряд ракурсов параллаксограммы для синтеза трехмерного голографического или растрового изображения.

Потолочная подвеска привода перемещения фотоаппарата или видеокамеры позволяет регистрировать практически любые сцены. При этом источники освещения всегда остаются неподвижными относительно объектов. Это обстоятельство особенно важно, так как смещение источников освещения от ракурса к ракурсу во время съемки приводит впоследствии к разрушению реалистичного восприятия сцены.

 Для того, что бы камера двигалась по сектору окружности без раскачивания, следует зафиксировать ось редуктора кронштейнами в виде алюминиевых труб или уголков. Крепление к потолку должно быть очень надежным, так как любая авария во время съемки может привести к тяжким телесным повреждениям модели.

Управление движением следует осуществлять с помощью дистанционного пульта управления, размещенного рядом с компьютером, который ведет запись последовательности кадров в реальном времени.
 

 

 Напольный вариант стереоустановки является мобильным, но ограничивает сцену снизу поверхностью стола. Зато ее можно разместить вне помещения.
 

 

 Стены студии должны иметь окраску рир-фона (синий или фисташковый цвет). В этом случае достаточно легко совмещать стерео изображение модели и синтезированный на компьютере фон в виде трехмерной сцены. Для синтеза трехмерных фонов лучше всего использовать программу Bryce 5, а для совмещения реального и компьютерного трехмерных изображений каждого ракурса можно использовать программу Photoshop
 

 

 

Электросхема привода установки включает в себя два промежуточных реле и пару конечных выключателей с нормально замкнутыми контактами. Срабатывание конечных выключателей обеспечивает остановку процесса сканирования сцены. Коллекторный электродвигатель постоянного тока способен плавно менять частоту вращения ротора при изменении напряжения питания от 12 до 24 вольта. Мощность двигателя - 50 вт. вполне достаточна.

 

 

Элементы поворотного кронштейна лучше всего изготовить из алюминиевого проката цилиндрической формы.

Для регистрации параллаксограммы можно с успехом использовать фотокамеру "Canon 20D", которая способна работать с частотой 5 кадров в секунду и записывать 20 ракурсов подряд высокого разрешения для растровых фото большого размера или 120 ракурсов с разрешением 600х800 пикселей для синтеза голографических дисплеев.

При записи параллаксограмм голографических трехмерных дисплеев размером до 20х20 см. достаточно разрешения цифровой видеокамеры с прогрессивной ("нечересстрочной") разверткой.

Установку записи параллаксограмм желательно эксплуатировать в студии художественной фотосъемки. Одна и та же аппаратура позволит производить разнообразные услуги от художественного фото до голографического дисплея.

Описанный способ не является единственным. Но по производительности ему нет равных среди прочих, например таких, где регистрируются Фурье-спектры, синтезированные численными методами из последовательности фотографических ракурсов. (Экономия затрат времени происходит за счет сокращения количества последовательно записываемых элементов, равных количеству ракурсов.) Зато для Фурье-метода практически не существует ограничения в размерах голографического дисплея. В случае компьютерного синтеза трехмерной сцены вертикальный параллакс реализуется достаточно просто. Следует отметить, что упомянутый метод Фурье-синтеза одноступенчатый и не требует последующего копирования с целью получения сфокусированного изображения ракурсов.

К недостаткам первого метода можно отнести лишь отсутствие вертикального параллакса. Но этот же недостаток оборачивается достоинством – для восстановления таких голограмм не требуются высококачественные точечные источники света, при этом ощущение глубины и объема остается для зрителя практически таким же.

Изготовление голограмм по вашим заказам:

Cтоимость создания мультиплексной голограммы на стекле в виде мастер-голограммы для последующего тиража контактным методом на пленке - 70-100$ без учета стоимости изготовления стереоряда изображений.

Стоимость тиража - 0,025$ за квадратный сантиметр изображения на лавсановой пленке с липким слоем. Минимальная серия - 500 отпечатков. Срок изготовления с вашего пакета ракурсов - 2 недели.

Следует учесть, что угол охвата сцены при ее фотосъемке - 60 градусов при 120 ракурсах. Разрешение каждого кадра не менее 600х800 пикселей.

Обращаться к

А. Акилов